Luận văn thạc sĩ Công nghệ môi trường: Nghiên cứu các mô hình khử Trihalomethanes (THMs) trong nguồn nước cấp

T N ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KHỬ TRIHALOMETHANES THMs TRONG NGUỒN NƯỚC CẤP NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát chất lượng nước trên mạng lưới phân phối của nhà máy xử lý nước Tân Hi

-

LÊ THỊ THU THANH

NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KHỬ TRIHALOMETHANES (THMs) TRONG

LÊ THỊ THU THANH

NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KHỬ TRIHALOMETHANES (THMs) TRONG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

- oOo - Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Th Ngọc Qu nh

3 TS NGUYỄN THẾ VINH – Phản Biện 1 4 TS LÊ ĐỨC TRUNG – Phản Biện 2 5 TS NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH – Thư Ký Xác nhận của Chủ t ch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS ĐINH XUÂN THẮNG PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên Học viên: THỊ THU TH NH Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1983 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường MSHV: 12250622

I T N ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KHỬ TRIHALOMETHANES (THMs) TRONG NGUỒN NƯỚC CẤP

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Khảo sát chất lượng nước trên mạng lưới phân phối của nhà máy xử lý nước Tân Hiệp,

- Nghiên cứu quá tr nh xử lý THMs ở quy mô ph ng th nghiệm - Khảo sát khả năng xử lý THMs tại nhà dân

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2013 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỊ NGỌC QUỲNH

PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Tp HCM, ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS NGUYỄN THỊ NGỌC QU NH PGS.TS NGU ỄN PHƯỚC D N

ỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lòng cảm ơn đến thầy Nguyễn Phước Dân, cô Nguyễn Th Ngọc Qu nh và tập thể Thầy Cô Khoa Môi trường – Đại học Bách khoa – Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh; những kiến thức quý báu mà các Thầy, các Cô đã truyền đạt là nền tảng vững chắc cho tôi thực hiện luận văn này

Tôi cám ơn nhà tài trợ POSCO đã hổ trợ kinh phí cho tôi thực hiện từ khi đề tài được giao cho đến khi hoàn thành

Tôi xin cảm ơn các Anh, các Ch tại phòng Thí nghiệm Khoa Môi Trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài khi mô hình thí nghiệm được hoạt động tại đây Bên cạnh đó, tôi chân thành cám ơn bạn Lại Duy Phương, các em Trần Minh Thơ, Trần Th y Trang, Nguyễn Kiều Anh T , Tr nh Ngọc Tài sinh viên khóa 2008), Đ ng Th Mai Nhung và Nguyễn Anh T khóa 2009) đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá tr nh khảo sát, vận hành và phân tích kết quả thí nghiệm

Cuối c ng, xin cám ơn sâu sắc đến những người thân trong gia đ nh của tôi, những người đã luôn ở bên tôi, hỗ trợ và động viên để tôi có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập

TÓM TẮT

Nước sông Sài Gòn ở lưu vực thượng nguồn và khu vực lấy nước thô của nhà máy nước Tân Hiệp đang b ô nhiễm hữu cơ nhanh chóng và đã đến mức nghiêm trọng Ô nhiễm hữu cơ kết hợp với việc sử dụng một lượng lớn chlorine trong quy tr nh làm tăng khả năng h nh thành trihalomethanes THMs) trong nước cấp thành ph m

Nồng độ THMs được khảo sát tại nhà máy trên mạng lưới phân phối của nhà máy nước Tân Hiệp Tp.HCM Các mẫu nước được thu thập từ tháng 8 đến tháng 11 năm 2012 tại 3 v tr ở nhà máy nước Tân Hiệp và 14 v tr khác dọc theo chiều dài đường ống Các kết quả cho thấy nồng độ THMs tại nhà máy nước Tân Hiệp trung b nh khoảng 391 - 937 g/L Nồng độ THMs cao nhất là sau bể khử tr ng, trước khi nước đi vào mạng lưới phân phối Nồng độ THMs trên đường ống dao động từ dưới mức phát hiện đến 1662 g/L Nồng độ THMs cao nhất xuất hiện ở những mẫu thuộc tuyến ống ch nh của nhà máy Tân Hiệp 49 trong tổng số mẫu có nồng độ vượt quá QCVN 01:2009/BYT Nồng độ THMs trên mạng lưới phân phối có mối quan hệ t lệ thuận với DOC, DN và chlorine-kết hợp Phương tr nh ước t nh nồng

độ THMs trên mạng lưới phân phối ph hợp với R2 là 0,66 và mức ý nghĩa p thấp

hơn 0,0001 Th nghiệm khảo sát hiệu quả loại bỏ trihalomethanes THMs) trong nước máy tại thành phố Hồ Chí Minh của cột rỗng và cột có vật liệu đệm qui mô hộ gia đ nh được thực hiện với 3 lưu lượng 4,5, 7,5 và 11,5 L/phút Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ THMs tổng của cột có vật liệu đệm thấp hơn so với cột rỗng Hiệu quả loại bỏ trung bình của cột có vật liệu đệm và cột rỗng lần lượt là 35,6 – 56,2% và 24,5 – 64,4 Phương pháp đun sôi cũng không thể loại bỏ hoàn toàn được THMs Sau khi nước sôi được 15 phút thì hiệu quả loại bỏ THMs là 83% Phân tích thống kê cho thấy hiệu quả loại bỏ THMs tổng có mối quan hệ t lệ thuận với lưu lượng, với nhiệt độ nước và t lệ ngh ch với nồng độ THMs tổng có trong nước đầu vào

Trong th nghiệm lựa chọn GAC cho mô hình cột GAC, nồng độ của nước đầu vào là 920 µg/L (t = 250C, pH = 7,2) và 0,5 g mỗi loại than Norit, gáo dừa – PVC,

gáo dừa – TAD và than tre được sử dụng Sau 32 giờ, dung lượng hấp phụ của ch ng là như nhau và ch ng không tuân theo phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich hay Langmuir Than gáo dừa – TAD có các đ c t nh k thuật trội hơn nên được chọn để lấp vào cột GAC đ t tại hộ dân Mô hình cột GAC được vận hành tại nồng độ THMs là 160 – 390 µg/L, v = 2,5 m/h và EBCT = 16,5 phút Kết quả quan sát sau 110 ngày cho thấy hiệu quả xử lý trung bình 25% và cột than bắt đầu bão hòa tại giá tr 3000 BV

BSTR CT

Organic pollution has been increasing in parts of the Saigon River basin, including the zone of raw water intake for Tan Hiep water treatment plant Thus, high content of organic matters adding with the high amount of chlorine used in water treatment process resulted a high potential of THMs formation in treated water

The occurrence of trihalomethanes (THMs) concentration was investigated at the Tan Hiep water treatment plant (TH-WTP) in Ho Chi Minh City (Vietnam) and water distribution network where were supplied by the TH-WTP Water samples were collected during August to November 2012 at 3 sites within the TH-WTP and at 14 sites along water distribution network The results showed that the mean THMs concentration at the TH-WTP was about 391 - 937 µg/L The highest THMs concentration was after disinfection where water began to enter the distribution network The THMs concentration in distribution network ranged from lower than the found limit to 1662 µg/L The highest THMs concentration presented samples which water are provided mainly from the TH-WTP Forty nine percent of samples presented THMs concentration higher than the THMs limit of Vietnamese drinking water standards (QCVN 01:2009/BYT) THMs concentration in the water pipeline had positive correlation with dissolved organic carbon, dissolved nitrogen and

combined chlorine The obtained coefficients R2 and p of the model were 0.66 and

less than 0.0001, respectively This study investigated the performance of household scale spray column and packed column to remove trihalomethanes (THMs) from tap water in Ho Chi Minh City (HCMC) This experiment was operated at three flow rates of 4.5, 7.5 and 11.5 L/min Results showed that the total THMs removal efficiencies of the packed column were little lower than the spray column The average removal efficiency of the packed column and the spray column were ranged from 35.6 – 56.2 % and 24.5 – 64.4%, respectively Boiling did not completely removed THMs, the THM removal was 83% after 15 minutes of boiling The statistical analysis showed

removal efficiency of total THMs had positive correlation with flow rate and water temperature but negative correlation with total THMs concentration of the feed water

In selecting GAC experiments, 920µg/L (T = 250C and pH = 7.2) and 0.5 grams each of GAC norit, coconut - PVC, coconut – TAD and bamboo were used After 32 hours, amount of THMs adsorbed in 4 GAC were the same and they were not suitable to interpret by Freundlich isotherm Coconut – TAD was considered as the most suitable GAC due to its good characteristics It was then used to fill in the household scale GAC column GAC column was operated at total THMs concentration 160 – 390 µg/L, v = 2.5m/h and EBCT = 16.5 minutes The result observed after 110 days showed that the average efficiency was around 25% and GAC seemed to saturate at bed volumes of 3000

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨ VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI C M ĐO N

Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1983 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường MSHV: 12250622

Tên đề tài: Nghiên cứu các mô hình khử trihalomethanes (THMs) trong nguồn nước cấp

Ngày bắt đầu: Ngày 21/01/2013 Ngày hoàn thành: Ngày 21/06/2013 Cán bộ hướng dẫn: TS NGU ỄN THỊ NGỌC QU NH

PSG.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Tôi cam đoan đây là công tr nh nghiên cứu của tôi Những kết quả và số liệu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi hoàn toàn ch u trách nhiệm trước Nhà trường về sự cam đoan này

Tp HCM, ngày 30 Tháng 7 năm 2013

Lê Th Thu Thanh

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 MÔ HÌNH THỰC HIỆN 2

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

5 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

6 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 3

7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.1.5 Các quá tr nh ứng dụng giảm thiểu nồng độ THMs trong nước 8

1.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ THMs 10

1.2.1 Quá tr nh tách kh - Air stripping 10

1.2.2 Quá tr nh hấp phụ than hoạt t nh GAC) 12

1.3.NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 16

1 3 1 Quá tr nh tách kh AS) 16

1 3 2 Quá tr nh hấp phụ than hoạt t nh dạng hạt GAC) 17

1 3 3 Khảo sát nồng độ THMs trên mạng lưới phân phối 18

1.4 NHÀ MÁY NƯỚC TÂN HIỆP- TP HỒ CHÍ MINH 21

1.4.1 Giới thiệu 21

1.4.2 Phân v ng cấp nước của Nhà máy nước Tân Hiệp 22

1.4.3 Chất lượng nước trên đường ống tại Tp HCM 24

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHI N CỨU 26

2.1.Nội dung nghiên cứu 26

2.1.1 Nội dung 1: Khảo sát chất lượng nước trên mạng lưới phân phối của nhà máy xử lý nước Tân Hiệp 27

2.1.2 Nội dung 2: Nghiên cứu quá tr nh xử lý THMs tại ph ng th nghiệm 29

2.1.3 Nội dung 3: Khảo sát khả năng xử lý THMs tại nhà dân bằng cột GAC 36

2.2.Phương pháp phân t ch 36

2.2.1 Phân tích THMs 36

2.2.2 Phân t ch các ch tiêu khác 37

CHƯƠNG 3: T QUẢ VÀ THẢO UẬN 39

3.1 Nội dung 1: Khảo sát chất lượng nước trên mạng lưới phân phối của nhà máy xử lý nước Tân Hiệp 39

3.1.1 Các ch tiêu chất lượng nước và nồng độ THMs tại nhà máy 39

3.1.2 Các ch tiêu chất lượng nước và nồng độ THMs trên mạng lưới phân phối của nhà máy nước Tân Hiệp 41

3.1.3 Mối quan hệ giữa THMs với các ch tiêu chất lượng nước 44

3.2 Nội dung 2: Khảo sát khả năng xử lý THMs của ba mô h nh AS, đun sôi và GAC 46

3.2.1 Cột tách khí (AS) 46

3.2.2 Mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý THMs và các thông số vận hành 47

3.2.3 Gia nhiệt 49

3.2.4 Th nghiệm đối với GAC 50

3.3 Nội dung 3: Khảo sát khả năng xử lý THMs tại nhà dân 56

D NH MỤC TỪ VI T TẮT

AS Air stripping BDCM Bromodichloromethane

DBCM Dibromochloromethane DBPs Disinfection byproducts DN Dissolved nitrogen DOC Dissolved organic carbon GAC Granular activated carbon GC-MS Gas chromatography mass spectrometry HAAs Haloacetic acids

NOMs Natural organic matters PVC Polyvinyl chloride QCVN Quy chu n Việt Nam

TBM Tribromomethane TCM Trichloromethane TN Total nitrogen TOC Total organic carbon Tp.HCM Thành phố Hồ Ch Minh THMs Trihalomethanes

US EPA United states environment protection agency UV254 Ultraviolet absorbance at 254 nm wavelength WHO World health organization

D NH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Phân loại THMs trong nước cấp 4

Bảng 1 2 Tiêu chu n/hướng dẫn THMs trong nước cấp của một số nước/tổ chức trên thế giới 6

Bảng 1.3: Một số mô h nh dự đoán sự h nh thành THMs trong nước cấp 8

Bảng 1.4: Hằng số Henry và áp suất hơi của các hợp chất THMs 11

Bảng 2 1: Thông tin các v tr lấy mẫu trong quá tr nh khảo sát 29

Bảng 2 2: Các thông số nước đầu vào của cột tách khi 31

Bảng 2 3: Thông tin và đ c điểm k thuật về các loại than sử dụng trong th nghiệm 33Bảng 2 4: Phương pháp phân t ch các ch tiêu 38

Bảng 3 1: Chất lượng nước tại 3 v tr trong hệ thống xử lý của nhà máy nước Tân Hiệp 39

Bảng 3.2: Chất lượng nước trên mạng lưới cấp nước của nhà máy Tân Hiệp 42

Bảng 3.3: Nồng độ THMs và thông số chất lượng nước trên mạng lưới phân phối 43

Bảng 3.4: Ma trận hệ số tương quan đơn của nồng độ THMs với các thông số ảnh hưởng 45

Bảng 3.5: Chi tiết thống kê của mô hình phân tích hồi quy THMs (n = 51) 45

Bảng 3.6: Ma trận hệ số tương quan đơn của hiệu quả xử lý TTHMs với các thông số ảnh hưởng 47

Bảng 3.7: Chi tiết thống kê của mô hình phân tích hồi quy THMs (n = 38) 48

Bảng 3 8: Đ c t nh của 4 loại GAC n = 4) 50

Bảng 3 9: Các hệ số của phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt theo Freundlich 55

Bảng 3 10: Các hệ số của phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt theo Langmuir 55

D NH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quy tr nh xử lý nước và 3 v tr lấy mẫu tại nhà máy Tân Hiệp 22

Hình 1.2: Khu vực lấy mẫu trên đ a bàn trung tâm Tp HCM 24

Hình 2 1: Sơ đồ tổng quát các nội dung nghiên cứu 26

Hình 2.2: V tr các điểm lấy mẫu trên bản đồ mạng lưới phân phối nước của nhà máy nước Tân Hiệp 28

Hình 2.3: Mô h nh cột tách kh có và không có vật liệu đệm 30

Hình 2 4: Nồi Inox thực hiện phương pháp gia nhiệt 32

Hình 2.5: Mô h nh cột than hoạt t nh hạt GAC) 35

Hình 3.1: Sự biến đổi nồng độ THMs tại nhà máy nước Tân Hiệp năm 2012 41

Hình 3.2: Nồng độ của THM, DOC, DN và chlorine tự do của 3 khu vực lấy mẫu 43

Hình 3.3: Hiệu quả xử lý THMs của cột có vật liệu đệm a) và cột rỗng (b) 46

Hình 3 4: Hiệu quả xử lý THMs bằng phương pháp đun sôi 50

Hình 3.5: Nồng độ THMs c n lại theo thời gian của 4 loại GAC trong th nghiệm lần thứ nhất 52

Hình 3.6: Nồng độ THMs c n lại theo thời gian của 4 loại GAC trong th nghiệm lần thứ hai 53

Hình 3.7: Tổng lượng THMs hấp phụ của 4 loại GAC theo thời gian 54

Hình 3.8: Hiệu quả xử lý THMs của than gáo dừa -TAD theo vận tốc 56

Hình 3.9: Hiệu quả xử lý THMs của cột than gáo dừa – TAD tại hộ dân 57

HVTH: Lê Th Thu Thanh

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THI T CỦ ĐỀ TÀI

Việt Nam có 68 công ty cấp nước làm nhiệm vụ xử lý, vận chuyển và phân phối nước sạch cho các hoạt động dân dụng, d ch vụ và công nghiệp của các khu vực đô th Nguồn nước ngầm chiếm 30% tổng nguồn nước cấp và 70% còn lại là nước m t Hầu hết các nhà máy xử lý nước sử dụng nguồn nước m t đều dùng chlorine cho việc khử trùng [1]

Chlorine là chất khử trùng với chi phí thấp và hiệu quả cao Tuy nhiên, phản ứng giữa hợp chất hữu cơ tự nhiên và chlorine có thể hình thành THMs và các sản ph m phụ của khác của chlorine [2] Trong những sản ph m phụ đó, phổ biến nhất là trihalomethanes (THMs) THMs là những chất độc đối với môi trường và con người, tiếp xúc lâu dài với chúng có thể gây những rủi ro đến sức khoẻ như ung thư, đột biến gen và ảnh hưởng đến sinh sản [3, 4]

Xử lý THMs trong nước cấp đã được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới, ở cả những nước phát triển và đang phát triển Tổ chức Y tế thế giới (WHO), nhiều quốc gia khác và Việt Nam đã đưa ra khuyến cáo và tiêu chu n cho những hợp chất này

Hiện nay, chất lượng nước sông Sài Gòn ngày càng xấu đi nhanh chóng, làm ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động cấp nước của nhà máy nước Tân Hiệp đồng thời đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân và sự phát triển bền vững về kinh tế - xã hội của thành phố Hồ Ch Minh [1] Vu và cộng sự 2012) [5] cho thấy nhà máy nước Tân Hiệp đã sử dụng chlorine với hàm lượng rất lớn trong quy tr nh xử lý và lượng THMs h nh thành khoảng 155,8 g / L trước khi vào mạng lưới phân phối Trên cơ sở đó, đề tài “NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH KHỬ TRIHALOMETHANES (THMs) TRONG NGUỒN NƯỚC CẤP” là việc làm cấp thiết trong giai đoạn hiện nay, nghiên cứu xử lý THMs nhằm tiến tới mục tiêu cấp nước an toàn với chi phí thấp và áp dụng dễ dàng ở quy mô hộ gia đ nh

2 MỤC TI U NGHI N CỨU

HVTH: Lê Th Thu Thanh

- Đánh giá chất lượng nước trên hệ thống phân phối nước của nhà máy Tân Hiệp

- Đánh giá hiệu quả loại bỏ THMs của cột tách khí (AS), cột AS kết hợp với đun sôi và của 4 loại than hoạt tính (than norit, than gáo dừa- PVC, than gáo dừa - TAD và than tre)

3 MÔ HÌNH THỰC HIỆN

Ba mô h nh được lựa chọn để khảo sát khả năng xử lý THMs ở phòng thí nghiệm:

- Mô hình cột tách khí (AS) - Mô h nh AS kết hợp đun sôi - Mô h nh th nghiệm theo mẻ cho 4 loại than hoạt tính (GAC)

Một mô hình cột lọc than hoạt tính (GAC) được lựa chọn để khảo sát khả năng xử lý THMs ở nhà dân

4 NỘI DUNG NGHI N CỨU

Nội dung 1: Khảo sát chất lượng nước trên hệ thống phân phối nước của nhà máy Tân Hiệp từ tháng 8/2012 – 11/2012

Nội dung 2: Vận hành 3 mô h nh AS, AS kết hợp đun sôi và GAC ở phòng thí nghiệm

Nội dung 3: Vận hành mô hình cột GAC tại nhà dân

5 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN CỦ ĐỀ TÀI

Khảo sát, đánh giá hàm lượng THMs được tiến hành với mẫu nước lấy trực tiếp trên hệ thống phân phối của nhà máy nước Tân Hiệp từ tháng 8/2012 – 11/2012

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên mô h nh đ t tại ph ng th nghiệm

của Khoa Môi Trường – ĐHBK Tp HCM và mô h nh tại nhà dân

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Nghiên cứu thực nghiệm với nước đầu vào được lấy trực tiếp trên đường ống nước cấp của ph ng th nghiệm Khoa Môi Trường – ĐHBK Tp HCM Căn cứ vào kết quả phân tích của đầu vào và đầu ra mà đánh giá hiệu quả xử lý THMs

6 Ý NGHĨ VÀ TÍNH MỚI CỦ ĐỀ TÀI Ý nghĩa của đề tài

Đây là những phương pháp xử lý THMs bằng những nguyên liệu có ở đ a phương với chi phí thấp nhằm phục vụ trong việc cấp nước sạch, đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân thành phố

Tính mới của đề tài

Ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và mô tả phương pháp xác đ nh THMs trong nước cấp có độ chính xác cao Hiện nay, nước ta chưa có nghiên cứu công nghệ xử lý THMs trong nước cấp khi chất lượng nguồn nước đã xấu đi Do đó, đây là một đề tài hoàn toàn mới và có tính thực tiễn rất cao

7 PHƯƠNG PHÁP NGHI N CỨU

Để thực hiện các nội dung nghiên cứu nêu trên, nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây: phương pháp tổng quan, kế thừa: tổng hợp, thu thập có chọn lọc, tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước có liên quan đến nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thiết lập và vận hành mô h nh th nghiệm; phương pháp phân t ch hóa học đối với các thông số môi trường nước cấp; phương pháp thống kê, xử lý số liệu: xử lý số liệu bằng các công thức toán học và phần mềm Excel, Stata

HVTH: Lê Th Thu Thanh

CHƯƠNG 1: TỔNG QU N

1.1 TRIHALOMETHANES - THMs 1.1.1 Định nghĩa

Trihalomethanes THMs) là tên chung của một nhóm những hợp chất hóa học có công thức chung là CHX3 Trong đó, X đại diện cho nguyên tử halogen, có thể là Cl, Br, F hay I, hay cũng có thể là sự kết hợp của các nguyên tử này [3]

THMs được t m thấy nhiều trong công nghiệp như trong các dung môi hữu cơ hay chất làm lạnh Riêng quá trình khử tr ng nước sinh hoạt bằng chlorine thường phát sinh ra 4 dạng của THMs thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại THMs trong nước cấp

Công thức phân tử Tên quốc tế Tên thông thường Viết tắt

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Dibromochloromethane: khối lượng phân tử là 208,28, tỷ trọng ở 20 C là 2,451, chất lỏng từ không màu đến màu vàng nhạt, tan ở -200C, sôi ở 1200C, không cháy, hoà tan được trong các dung môi hữu cơ như ethanol, ete, axeton [6]

Bromoform: khối lượng phân tử là 252,72, tỷ trọng ở 200C là 2,899, chất lỏng không màu, tan ở 80C, sôi ở 149,10C có m i đ c trưng, v ngọt tương tự như chloroform, không cháy, hoà tan được trong các dung môi hữu cơ như ethanol, benzen, dầu mỏ, ete, axeton, dầu [6]

1.1.3 Tác động của THMs lên sức khỏe con người

Theo Tổ chức Y tế Thế giới, nếu nước uống có phát sinh chlorofrom th những biến chứng như ung thư bàng quang, ruột và trực tràng s xảy ra [3] Ngoài ra, trong nước uống có chứa hàm lượng THMs cao cũng có khả năng gây đột biến gen Đáng lo ngại nhất là chlorofrom v ch với 44 g có thể giết chết một người n ng 70 kg và vi lượng chlorofrom trong nước s gây ra bệnh ung thư nếu uống nước này trong thời gian dài [7] Trước đây, một báo động về tác hại của sản ph m phụ khử trùng THMs cũng đã gi p Ch nh phủ M điều ch nh lại hàm lượng cho phép của nó trong nước, nghiên cứu năm 1979 đưa ra mức giới hạn cho tổng THMs là 0,1 mg/L và đến năm 2001 mức giới hạn quy đ nh là 0,08 mg/L Kết quả là số người b ung thư bàng quang đã giảm từ 9300 xuống c n hơn 2300 trường hợp/năm [4]

WHO, nhiều quốc gia và Việt Nam cũng đưa ra khuyến cáo và tiêu chu n cho những hợp chất THMs được tr nh bày trong Bảng 1.2 M c dù phần lớn các cơ quan y tế trên khắp thế giới đã thiết lập một mức tối đa cho THMs trong nước cấp nhưng không phải tất cả đều như nhau Hiện nay, vẫn còn nhiều tranh luận về những rủi ro thực sự gây ra bởi THMs [6] Hơn nữa, từng cơ quan y tế đã sử dụng cách đánh giá rủi ro và các yếu tố an toàn khác nhau để thiết lập mức độ THMs tối đa của họ Ngoài ra, một số nước đã đ t ra nồng độ giới hạn của THMs dựa trên khả năng dễ dàng đạt được yêu cầu hơn là ước tính về nguy cơ có thể xảy ra cho người sử dụng nước

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Bảng 1.2 Tiêu chu n/hướng dẫn THMs trong nước cấp của một số nước/tổ chức

Cl2 + NOMs  THMs (1.1) Các phản ứng này rất phức tạp và sự hình thành THMs phụ thuộc vào các yếu tố như: lượng chlorine sử dụng, nhiệt độ nước, pH và thời gian nước di chuyển trong đường ống [2, 8] Ngoài ra, sự h nh thành THMs c n phụ thuộc vào m a trong năm, v tr đ a lý của từng khu vực [8], tổng cacbon hữu cơ, ammonia, nồng độ ion brôm, v.v Liều lượng chlorine sử dụng càng lớn thì nồng độ THMs trong nước

HVTH: Lê Th Thu Thanh

càng cao Ch ng s phản ứng với NOMs tại nhà máy và trong suốt quá trình vận chuyển nước làm tăng nồng độ của THMs Trong hệ thống phân phối nước thì lượng chlorine đưa vào l c khử trùng s tiếp tục phản ứng với các hợp chất hữu cơ h a tan trong nước làm cho nồng độ của THMs tiếp tục tăng lên Do đó, khoảng cách từ bể chứa đến nơi tiêu thụ khác nhau thì nồng độ của THMs trong nước s có sự dao động khác nhau [2, 9] Thời gian phản ứng càng dài thì nồng độ THMs sinh ra càng cao [2] Tốc độ tạo thành thay đổi theo 2 giai đoạn và hầu hết các THMs xảy ra trong vòng 8 giờ đầu tiên của thời gian phản ứng và sau đó sự hình thành THMs giảm đi đáng kể theo nhận đ nh của Mouly và cộng sự 2010) [9] Thời gian nước đi từ trạm xử lý đến điểm sử dụng có thể biến động trong khoảng vài giờ cho đến hơn 1 tuần Chowdhury và Champagne (2008) [2] cho rằng nồng độ THMs có thể tăng từ 30 đến 50% khi pH thay đổi từ 7 đến 11 tùy thuộc vào nồng độ các hợp chất hữu cơ h a tan và liều chlorine sử dụng; nhiệt độ tăng 100C thì sự hình thành THMs tăng trong khoảng 25 đến 50% Sự hình thành THMs trong những tháng m a hè cao hơn những tháng m a đông bởi khi đó tốc độ phản ứng tạo THMs cao hơn Thêm vào đó, tác giả cho thấy tỷ lệ của liều chlorine và ion brôm tăng th sự hình thành THM-brôm s tăng Bởi v trong suốt quá trình khử trùng, ion brôm b oxi hoá thành axit HOBr, chất này phản ứng với các chất hữu cơ mạnh hơn chlorine hình thành CHCl2Br và CHBr3 Sự kết hợp của chlorine và HOBr hình thành hỗn hợp Cl/Br THMs và hỗn hợp sản ph m phụ khác có chứa halogen Một vài nghiên cứu khác th cho rằng nồng độ ammonia cao th lượng chlorine đưa vào ưu tiên phản ứng với ammonia tạo thành chloramine, khả năng phản ứng của chloramine với các hợp chất hữu cơ hoà tan để sinh ra THMs là kém hơn hẳn so với chlorine tự do [9, 10]

Một số mô h nh dự đoán sự h nh thành THMs trong nước cấp thông qua các yếu tố ảnh hưởng được tập hợp trong Bảng 1 3

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Bảng 1.3: Một số mô h nh dự đoán sự h nh thành THMs trong nước cấp

TTHM = 12,7 (TOC) 0,291 (t) 0,271 (Cl2) –0,072 Chang và cộng sự, 1996

TTHM = 0,044 (DOC)1,030 (t)0,262 (pH)1,149 (Cl2)0,277 (T)0,968 Rodriguez và cộng sự,

2000 THMs = 0,0001(Cl2)3,14 (pH)1,56 (TOC)0,69 (t)0,175 Kolla, 2004 TTHM = 10-1,385 (DOC)1,098 (Cl2)0,152 (Br-)0,068 (T)0,609

(pH)1,601 (t)0,263

Sohn và cộng sự, 2004 TTHM=0,42 (UVA)0,482 (Cl2)0,339 (Br-)0,023 (T)0,617

(pH)1,601(t)0,261

Sohn và cộng sự, 2004 TTHM = 0,0283 (DOC*UVA)0,0421 (Cl2)0,145 (Br-)0,041

(T)0,614 (pH)1,606 (t)0,261

Sohn và cộng sự, 2004 THM = 11,967 (TOC)0,398 (T)0,158 (Cl2)0,702 Toroz và Uyak, 2005 THMFP = 100,18 DOC + 60,109

t ng n ng các TOC: t ng cacbon hữu cơ DOC cacbon hữu cơ hòa tan t th i gian ph n ng; T nhi t n c; Cl2 i u ng ch orine d ng; UVA h p th b c s ng 254 nm ; Br- n ng ion br m

1.1.5 Các quá tr nh ứng ụng giảm thi u nồng độ THMs trong nước a/ oại ỏ tiền chất h nh th nh THMs

Các công đoạn keo tụ - tạo bông được tăng cường nhằm loại bỏ triệt để các chất hữu cơ trước công đoạn khử tr ng Điều này phụ thuộc nhiều vào độ kiềm của nước, khi độ kiềm thấp th lượng hóa chất phèn cần sử dụng thấp Tính kỵ nước hay háo nước của NOMs cũng đóng vai tr quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý vì các NOMs kỵ khí dễ b keo tụ hơn so với các hợp chất háo nước [15] Đây là phương pháp tốt nhất giảm hàm lượng THMs trong mạng lưới phân phối Mouly và cộng sự, 2010) [9]

Phương pháp hấp phụ bằng than hoạt t nh hay lọc màng cũng có thể được áp dụng xử lý chất hữu cơ tại nhà máy Quá tr nh GAC có hiệu quả khử các hợp chất gây nên màu, m i, NOMs, axit haloacetic và các chất độc hại khác Liều lượng và

HVTH: Lê Th Thu Thanh

thời gian tiếp xúc là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý Sau một thời gian hoạt động, GAC cần phải được tái sinh ho c thay mới s làm tăng chi ph xử lý nước công nghệ màng không được áp dụng rộng rãi bởi v cần phải có áp lực lớn, màng dễ b b n và rửa ngược khó khăn do đó tuổi thọ của màng ngắn Loại màng lọc Nano với k ch thước phân tử khoảng 200 – 500 daltons thường được lựa chọn sử dụng [16]

b/ Tha đổi chất khử tr ng

Chlorine nên hạn chế dùng ho c thay thế bằng tác nhân khác trong quá trình oxy hóa sơ bộ ban đầu [17] Theo nghiên cứu của Elizabeth Anne Farren 2003) [18], chloramines thay thế cho chlorine tự do s giảm sự h nh thành THMs Đối với công nghệ xử lý nước m t, chloramines không khử được các vi sinh vật như Giardia và vi r t trong quá tr nh khử tr ng ch nh nhưng có thể d ng như một chất khử tr ng thứ cấp để kiểm soát sự phát triển của vi sinh vật trên mạng lưới phân phối; chlorine dioxide là chất khử trùng và oxy hóa hiệu quả thường d ng để kiểm soát mùi v Nó không phản ứng với chất hữu cơ gây ra sự h nh thành THMs nhưng nó dễ b phân hủy thành chlorite và chlorate Nếu nồng của ch ng cao s dẫn đến bệnh viên bàng quang cho nên không sử dụng thông dụng ở M ; Ozone kiểm soát được m i và v tốt nhưng lại không bền vững để h nh thành dư lượng trên mạng lưới Khi nồng độ ion brôm trong nước cao s h nh thành các chất độc hại như bromate và formaldehyde; Tia UV là chất khử trùng hiệu quả nhưng yêu cầu nước xử lý phải có độ đục thấp Các chất khử tr ng/oxy hóa thường được d ng kết hợp với nhau để tăng hiệu quả khử tr ng và đảm bảo lượng trên đường ống [17] Theo kết quả nghiên cứu của Dương Hồng Anh và cộng sự 2005) [10] th tác nhân khử tr ng thứ cấp H2O2/ Ag+ được bổ sung vào th nồng độ THMs có khả năng giảm 63 ± 12% Kết quả nghiên cứu của Trang và cộng sự (2012) [5] đã khẳng đ nh quá kết hợp của O3/UV làm tác nhân khử tr ng th khả năng h nh thành THMs giảm 16

c/ ử lý THMs

Các quá trình xử lý THMs thường được áp dụng ở nhiều quốc gia trên Thế giới là: Quá trình RO, GAC và AS Quá trình RO cho hiệu quả có thể lên đến 99%

HVTH: Lê Th Thu Thanh

đã được Chung và cộng sự (2009) [19] kết luận nhưng Fangtong và cộng sự (2009) [16] cho rằng công nghệ xử lý THMs này không được sử dụng rộng rãi trên thế giới Quá trình GAC cho hiệu quả xử lý THMs cao nhưng hiệu quả đạt được ch trong một thời gian ngắn [20, 21] Quá trình tách kh AS) cho hiệu quả xử lý THMs có thể cao hơn 95 [22] mà chi phí hoạt động của chúng ch bằng một nữa so với chi phí GAC Bên cạnh loại bỏ THMs, quá tr nh AS cũng xử lý được một phần mùi và v trong nước Do đó, Cơ quan Bảo vệ Môi trường M (US EPA) khuyến kh ch d ng phương pháp này để kiểm soát hợp chất VOCs (khoảng 31 loại) trong môi trường nước [16]

Xử lý THMs bằng quá trình đun sôi th không thể áp dụng cho các nhà máy xử lý nước nhưng có hiệu quả xử lý THMs có thể lên đến 95,63 - 97,57% ở quy mô hộ gia đ nh [23]

1.2 CƠ SỞ Ý THU T CÁC QUÁ TRÌNH Ử Ý THMs 1.2.1 Quá trình tách khí - Air stripping

a/ C sở lý thu ết

Quá tr nh tách kh thường được áp dụng xử lý hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOCs) từ pha lỏng sang pha kh THMs là chất dễ bay hơi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất b nh thường với phương tr nh kh lý tưởng mô tả mối quan hệ giữa nồng độ của một chất khí và áp suất hơi của nó [24]

rong C: n ng của ch t khí (kg/m3); M: khối ng phân tử (kg/kmol); Pv: áp su t hơi (Pa) R: hằng số khí ý t ng (8,314 kJ/kmol/0Kelvin); T: nhi t t ơng ối (0Kelvin)

Theo phương tr nh 1.2) giả sử có sự cân bằng giữa kh và nước lỏng thì nồng độ của một chất s cao trong trạng thái hơi nếu áp suất hơi cao

Phương tr nh Đ nh luật Henry cũng cho ta dễ h nh dung hơn sự bay hơi của THMs

HVTH: Lê Th Thu Thanh

rong C: n ng của ch t khí (kg/m3); HR: hằng số Henry; P: áp su t riêng phần (Pa)

Phương tr nh 1 3) cho thấy tỷ lệ giữa nồng độ của một chất khí hòa tan trong chất lỏng và áp suất riêng phần của chất kh Nó cũng cho thấy rằng nồng độ của khí ở trong chất lỏng t lệ ngh ch với hằng số Henry

Bảng 1.4: Hằng số Henry và áp suất hơi của các hợp chất THMs [24]

0C (atm-m3/mol)

Áp suất h i ở 250C (mmHg)

/ Một số thiết ị tách khí Tháp sục khí có vật li u đ m: Là cột h nh trụ tr n ho c h nh chữ nhật, bên

trong chứa vật liệu đệm có cấu tr c xác đ nh ho c ngẫu nhiên Nước b ô nhiễm đi từ đ nh của cột chảy xuống xuyên qua vật liệu đệm nhờ trọng lực Không kh được đưa vào cột từ dưới lên, chảy ngược chiều với d ng chảy của nước Vật liệu đệm được thiết kế để tối đa hóa diện tích bề m t tiếp xúc giữa nước b ô nhiễm và không khí Máng chảy ho c hệ thống v i phun dẫn nước đầu vào phân phối đều trên toàn

HVTH: Lê Th Thu Thanh

bộ diện tích m t cắt ngang của cột M t cắt ngang của cột thường làm bằng khay lỗ thông hơi Cột tách kh được thiết kế với diện t ch bề m t tối đa để các VOCs dễ bay hơi, di chuyển từ pha lỏng sang pha khí

Thiết bị sục khí thấp: hoạt động tương tự như cột tách kh có vật liệu đệm

Sự khác biệt của tháp sục kh thấp là nước chảy xuyên qua nhiều khay đục lỗ nhỏ và thoát ra ph a dưới c ng của thiết b Các VOCs chuyển từ thể lỏng sang thể kh có dạng h nh bọt m n giống như không kh sục qua nước trên các khay

Thiết bị sục khí khếch tán: Bộ khếch tán nằm ph a dưới đáy của thiết b

Nước b ô nhiễm đi từ trên xuống, VOCs được tách và thoát ra ngoài nhờ các bong bóng kh nhỏ dâng từ dưới đáy thiết b lên xuyên qua chiều sâu lớp nước Ưu điểm chính của nó là đơn giản, khả năng xử lý chất rắn lơ lửng cao và chống ô nhiễm nhưng không hiệu quả bằng cột sục kh có vật liệu đệm và thiết b sục kh thấp

Cả 2 cột sục kh có vật liệu đệm và thiết b sục kh thấp có hiệu quả loại bỏ hơn 90 nồng độ VOCs đầu vào Cột sục kh có vật liệu đệm có t lệ không kh : nước (Air/Water ratio) và sự tắc ngh n thấp hơn thiết b sục kh thấp nên chi ph năng lượng của của nó thấp hơn Sau quá tr nh hoạt động th cả 2 thiết b đều được làm sạch bằng dung d ch axit Những nơi b giới hạn chiều cao ho c khu vực xử lý h p th thiết b sục kh thấp được xem xét

1.2.2 Quá tr nh hấp phụ than hoạt tính (G C) a/ C sở lý thuyết

Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ của chất tan (chất b hấp phụ) trong bề m t chất rắn (chất hấp phụ) và thường được chia làm 4 giai đoạn: Di chuyển chất hấp phụ đến bề m t chất rắn; phủ lên bề m t chất rắn; khuếch tán vào các lỗ của chất rắn; làm bão hòa dần từng phần không gian hấp phụ đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử b hấp phụ [26] Dựa vào bản chất quá trình hấp phụ thì có hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [27]

Trong hấp phụ vật lý các phân tử b h t vào bề m t của chất hấp phụ nhờ lực liên kết giữa các phân tử lực Van der Waals) Trong xử lý nước người ta quan tâm

HVTH: Lê Th Thu Thanh

đến hấp phụ chất hữu cơ có khả năng phân cực nước) lên trên chất không phân cực than hoạt t nh) Nếu dung môi có t nh phân cực kém th lực h t giữa chất hấp phụ và dung môi yếu Chất hấp phụ không phân cực th không ổn đ nh bằng chất lưỡng cực ho c chất có liên kết với nước bằng liên kết hidro Do đó, những hợp chất không phân cực s hấp phụ tốt hơn

Hấp phụ hóa học dựa trên lục h t tĩnh điện, xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo hợp chất hóa học với các phân tử b hấp phụ và h nh thành trên bề m t phân chia pha Lực hấp phụ hóa học là liên kết ion ho c liên kết cộng hóa tr giữa các nguyên tử Hấp phụ hóa học xảy ra rất t, ch có một lớp trên bề m t x c tác

Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học không có sự phân biệt r ràng, có khi nó tiến hành song song, có khi ch có giai đoạn hấp phụ vật lý t y thuộc tính chất của bề m t của chất hấp phụ và chất b hấp phụ và t y thuộc vào điều kiện quá trình

Các loại chất hấp phụ ch nh gồm than hoạt tính, hydroxit sắt dạng hạt và nhôm hoạt t nh Than hoạt t nh được sử dụng phổ biển v giá thành rẻ [26] Fangtong và cộng sự 2009) [16] đã khẳng đ nh GAC có khả năng khử tốt các hợp chất m i, màu, chất hữu cơ tự nhiên, THMs, axit haloacetic và các hợp chất độc hại khác

Than hoạt tính

Than hoạt t nh có nguồn gốc hữu cơ như gỗ, than đá, hạnh nhân, dừa, vỏ quả óc chó Cấu tr c của than xốp, diện tích bề m t lớn Các lỗ rỗng có k ch thước vi lỗ (micro< 20 Å), trung (meso 20 – 500 Å) và lớn (macro >500 Å) Theo k ch thước của hạt, than hoạt t nh được chia thành 2 loại Loại bột than hoạt t nh PAC) thường có đường kính nhỏ hơn 0,074 mm và than hoạt tính dạng hạt GAC) có đường kính lớn hơn 0,1 mm

Than hoạt t nh dạng hạt GAC) hoạt động dựa trên tính chất hấp phụ vật lý chủ yếu là do lực Van der Waals GAC có diện tích bề m t rất lớn thu h t các chất tan hơn dung môi vào các mao mạch [28] Theo Lekkes và cộng sự 2009) [29] các chất THMs và DOC hay các chất humic) là chất kỵ nước nên dễ dàng hấp phụ bằng GAC và sự hấp phụ của ch ng tuân theo phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Hấp phụ đ ng nhi t

Sự hấp phụ b ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như bản chất của chất của than hoạt t nh, chất b hấp phụ, pH và nhiệt độ Hấp phụ đẳng nhiệt mô tả số lượng nhất đ nh trong khối lượng cố đ nh của than hoạt t nh sau khi cân bằng THMs trong nước được loại bỏ bằng GAC luôn th ch hợp với phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich và Langmuir [30]

Phư ng tr nh hấp phụ đ ng nhi t Freundlich

Đường hấp phụ đẳng nhiệt gần với dạng parabol, do đó Freundlich đề ngh phương tr nh thực nghiệm:

tn

nkM

XC

kM

X

log1log)/log(



rong X ng ch t bị h p ph (mg) m ng than hoạt tính (mg); Ct hàm ng ch t bị h p ph còn lại (mg/L); k và n: các hằng số

Dựa vào số liệu thực nghiệm, xây dựng đồ th với trục tung là log(X/M), trục hoành là log Ct, ta có thể xác đ nh được các hằng số k và 1

n; Phương trình

Freunlich ch thích hợp trong khoảng áp suất trung bình

Phư ng tr nh hấp phụ đ ng nhi t Langmuir

Theo Langmuir, trên bề m t chất hấp phụ rắn có trường lực hóa tr chưa bão hòa vì vậy tại đây s hình thành những trung tâm hấp phụ Lực hấp phụ có bán kính tác dụng nhỏ, là lực có bản chất gần với lực hóa tr , nên mỗi trung tâm ch giữ một phân tử chất b hấp phụ và trên bề m t tạo ra một lớp đơn phân tử chất b hấp phụ Các phân tử chất b hấp phụ này ch tương tác với bề m t chất hấp phụ mà không tương tác và ảnh hưởng đến các phân tử khác

Để thiết lập phương tr nh hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả đ nh sau: - Bề m t đồng nhất về m t năng lượng

- Các chất b hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử

(1.4)

HVTH: Lê Th Thu Thanh

- Sự hấp phụ là thuận ngh ch - Bỏ qua tương tác giữa các phân tử b hấp phụ Bằng con đường động học, Langmuir đã đưa ra phương tr nh hấp phụ đẳng nhiệt

tt

t

CbabMXC

aCbaM

X

11)/(

1

1





rong X ng ch t bị h p ph (mg) m ng than hoạt tính (mg); Ct hàm ng ch t bị h p ph còn lại (mg/L); a và b: các hằng số

Dựa vào số liệu thực nghiệm với trục tung là 1/(X/M) và trục hoành là 1/Ct, phương tr nh t m được là đường thẳng, từ đó xác đ nh được giá tr của các hệ số a và b; thuyết hấp phụ của Langmuir chưa thật hoàn ch nh đối với việc mô tả sự hấp phụ trên ranh giới rắn-kh Tuy nhiên, nó được xem như là cơ sở cần thiết để hiểu rõ các thuyết được đề xuất sau đó

/ Một số mô h nh cột GAC Mô h nh cột nối tiếp ng chả từ trên uống: Mô h nh gồm nhiều cột

GAC giống nhau, nước chứa chất ô nhiễm được đưa vào đ nh của cột thứ nhất Nước đầu ra từ đáy của cột thứ nhất tiếp tục cho vào đ nh của cột thứ hai và nước đầu ra của cột thứ hai tiếp tục dẫn vào cột tiếp theo Mô h nh cột nối tiếp có thể t ch lớp than lớn, áp dụng khi yêu cầu hấp phụ lượng lớn chất ô nhiễm [27]

Mô h nh cột song song ng chả từ trên uống: mô h nh gồm nhiều cột

giống nhau, nước chứa chất ô nhiễm được đưa và từ đ nh của mỗi cột và nước đầu ra được thu ph a dưới đáy của mỗi cột Mô h nh cột song song hoạt động khi nhà máy có thể t ch lớn [27]

Mô h nh cột ng chả từ ưới lên: mô h nh có thể gồm nhiều cột mắc theo

kiểu nối tiếp ho c song song nhưng nước đầu vào của mô h nh được đưa từ ph a dưới đáy cột và nước đầu ra được thu ở ph a trên đ nh của cột Qua tr nh hoạt của

(1.5)

HVTH: Lê Th Thu Thanh

mô h nh làm tăng thêm 10 thể t ch lớp than Mô h nh này thường được áp dụng để xử lý sơ bộ ở nhà máy v nước sau xử lý vẫn c n độ đục và chất rắn lơ lửng [27]

1.3 NHỮNG T QUẢ NGHI N CỨU TR N TH GIỚI 1.3.1 Quá tr nh tách khí ( S)

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã ch ra rằng các phương pháp sục kh khuếch tán, thông kh cơ học có khả năng loại bỏ THMs rất tốt Bên cạnh loại bỏ THMs, quá tr nh AS cũng xử lý được một phần mùi và v trong nước Do đó, Cơ quan Bảo vệ Môi trường M (US EPA) khuyến kh ch d ng phương pháp AS để kiểm soát hợp chất VOCs

Nghiên cứu của Samadi và cộng sự (2004) [31] đã sử dụng cột tách khí AS có sử dụng vật liệu đệm để loại bỏ chloroform trong nước trên đường ống của nhà máy nước Tehran – Iran Vật liệu đệm được các tác giả sử dụng là những miếng PVC cắt ra từ ống xoắn ruột gà với chiều dài 1,5 cm và chiều dày là 0,5 mm Kết quả cho thấy nồng độ chloroform tăng từ 50 – 300 µg/L thì hiệu quả xử lý giảm từ 87,4% xuống 55,1% Tương tự, lưu lượng d ng vào tăng từ 0,5 – 3 L/phút thì hiệu quả xử lý giảm từ 86,6% xuống 69,1 Như vậy, hiệu quả xử lý chlorofrom t lệ ngh ch với nồng độ và lưu lượng nước đầu vào Thêm vào đó, các tác giả c n so sánh hiệu quả xử lý THMs bằng cột AS có vật liệu đệm, với quá tr nh lọc màng nano (NF 300 Da và NF 600 Da) và GAC Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý CHCl3 của AS cao hơn hẳn các quá tr nh khác nhưng cần phải tốn nhiều năng lượng t lệ kh : nước là 40 :1) Kết quả xử lý bằng phần mềm SPSS Statistical Packages for Social Sciences) cho thấy tốc độ d ng chảy, nồng độ chlorofrom và hiệu quả xử lý có mối tương quan với nhau [32]

Nghiên cứu của Zamarron (2005) [22] tại giá tr của tổng THMs là 472 g/L, t lệ kh : nước là 50:1 thì hiệu quả xử lý đạt trên 95 Song song đó, tác giả cho thấy hiệu quả xử lý của cột AS d ng không kh tự nhiên không d ng quạt hay máy thổi kh ) cũng có thể đạt 24 – 89 khi lưu lượng giảm từ 60 – 6,4 galon/phút và nồng độ tổng THMs khoảng 100 µg/L

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Theo Rodriguez (2007) [28] hiệu quả xử lý tổng THMs của cột AS có sử dụng vật liệu đệm khó có thể đạt trên 70% Thứ tự tách của các khí lần lượt là TCM, BDCM, DBCM và TBM Tác giả còn cho thấy nồng độ THMs sau khi xử lý bằng thiết b AS s đạt giá tr cân bằng sau 3,5 ph t, nồng độ THMs s tiếp tục giảm đi khoảng 50 sau 30 ph t trữ mẫu

Nghiên cứu của Fangtong và cộng sự 2009) [16] khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ THMs trong nước cấp như: tải trọng thủy lực, tỷ lệ kh : nước và nồng độ THMs đầu vào Tháp AS có vật liệu đệm cho hiệu quả cao nhất (khoảng 90%) khi tải trọng thủy lực nhỏ hơn 20 m3/(m2.h), t lệ kh : nước là 60:1 và nhiệt độ môi trường 240C

1.3.2 Quá tr nh hấp phụ than hoạt tính ạng hạt (G C)

Quá tr nh GAC có hiệu quả khử các hợp chất gây nên màu, mùi, chất hữu cơ tự nhiên, axit haloacetic và các chất độc hại khác GAC cũng cho hiệu quả xử lý THMs cao nhưng ch trong thời gian ngắn Do đó, cần phải tái sinh ho c thay mới thường xuyên Điều này làm tăng chi ph xử lý nước [16]

Nghiên cứu pilot của Koumenides và cộng sự (2001) [33] đối với GAC – Chemiviron Carbon (Filasorb 830) tại Cơ quan quản lý nước Athens thuộc khu vực Galatsi – Hy Lạp Chiều cao lớp than được sử dụng là 0,47 m, thể tích lớp than 0,0133 m3 Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ THMs khoảng 90% ở giá tr khoảng 6000 BV Lớp than gần như bão h a khi giá tr xấp x 13000 BV Các tác giả còn cho thấy phương pháp xử lý THMs bằng GAC s làm tăng chi ph sử dụng nước sạch ít nhất là 30 - 35% so với mức giá hiện tại

Nghiên cứu của Babi và cộng sự (2003) [34] đã đánh giá khả năng của GAC loại bỏ 2 nhóm chính sản ph m của chất khử tr ng là THMs và HAAs cũng như các chất hữu cơ h a tan tại nhà máy xử lý nước Galatsi thuộc thủ đô Athens – Hy Lạp Pilot GAC khảo sát loại than TL-830 Sau 235 ngày cho thấy khả năng loại bỏ tổng THMs, THAAs và DOC khá tốt, theo thứ tự là: 55,826 g DOC, 1,633 g THAAs và

HVTH: Lê Th Thu Thanh

0,719 g tổng THMs trên 1 kg GAC, với lượng nước xử lý qua lớp lọc tương ứng của chúng là 35958, 36979 và 31145 BV (bed volume)

Nghiên cứu của Samadi và cộng sự (2004) [31] sử dụng cột GAC có chiều cao 0,9 m với đường k nh 0,25 m để loại bỏ chloroform từ nước trên đường ống của nhà máy Tehran – Iran Kết quả cho thấy nồng độ chloroform tăng từ 50 – 300 µg/L thì hiệu quả xử lý giảm từ 97,6% xuống 82,3 Tương tự, lưu lượng d ng vào tăng từ 0,5 – 3 L/phút thì hiệu quả xử lý giảm từ 97,2% xuống 83,2 Như vậy, hiệu quả loại bỏ chloroform có mối quan hệ t lệ ngh ch với lưu lượng và nồng độ đầu vào Bên cạnh đó, tác giả còn khẳng đ nh hiệu quả xử lý clo dư của cột GAC luôn luôn đạt 100%

Ngoài hiệu quả loại bỏ THMs, HAAs, Chlorine tự do, DOC th GAC cũng loại bỏ độ đục và độ màu rất hiệu quả Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn hạn chế về vấn đề xác đ nh thời gian bão hòa của GAC Để khắc phục nhược điểm này, Tebeje và cộng sự (2001) [30] đã nghiên cứu hiệu quả loại bỏ THMs trong nước cấp đồng thời xác đ nh quá trình hấp phụ của than thông qua phương tr nh đường đẳng nhiệt Freundlich và Langmuir Nghiên cứu sử dụng than Bitum Calgon F200 dạng hạt Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt được chạy bằng nước cất pha với CHCl3 (Co = 3,85 mg/L, pH 7,0 ± 0,2, T = 200C) Sau đó b nh mẫu được đ t trên máy lắc ở vận tốc 25 vòng /phút trong 15 ngày Kết quả thu được đã kiểm tra bằng phương tr nh đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich Hệ số hấp phụ (K) và (1/n) lần lượt là 10,60 và 0,74 với hệ số tương quan R2= 0,97 Tương tự, kết quả kiểm tra bằng đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của CHCl3 với R2 = 0,93

1.3.3 hảo sát nồng độ THMs trên mạng lưới ph n phối

Whitaker và cộng sự 2003) [35] đã giám sát chất lượng nước của 3 nhà máy thuộc khu vực ph a Bắc và Trung du vương quốc Anh Kết quả cho thấy nồng độ THMs luôn dưới mức cho phép; chlorofrom là chất chiếm ưu thế trong hệ thống phân phối nước m t và luôn biến đổi theo m a; nước cấp từ nguồn nước ngầm có dibromochloromethane cao hơn nước m t, bromodichloromethane và

HVTH: Lê Th Thu Thanh

dibromochloromethane có nồng độ cao nhất vào m a hè và m a thu Nồng độ chloroform luôn giảm trong năm 1995 với điều kiện lưu nước ngắn

Nhóm tác giả Toroz và Uyak (2005) [14] nghiên cứu nồng độ THMs của hệ thống phân phối nhà máy nước Buyukcekmece của thành phố Istanbul của Thổ Nhĩ K Kết quả của mô hình hồi quy đa biến cho thấy, nồng độ THMs phụ thuộc vào TOC, nhiệt độ và thời gian với p = 0,0001 và R2 = 0,827 Tương tự, nhóm tác giả Rodriguez và cộng sự 2001) [8] nghiên cứu 3 hệ thống phân phối của Quebec (Canada) Kết quả của mô hình hồi quy cho thấy nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng ch nh đến nồng độ THMs theo mùa hơn là các thông số khác như liều lượng chlorine, nồng độ chất hữu cơ tự nhiên và pH

Rizzo và cộng sự 2005) [36] đã khảo sát sự h nh thành các sản ph m phụ sau quá tr nh khử tr ng bằng chlorine ở thành phố Istanbul (Thổ Nhĩ K ) và thành thố Salerno Ý) Các tác giả đã cho thấy nồng độ THMs của hệ thống phân phối nước ngầm ở Salerno thấp hơn 30 µg/L và nước cấp từ nguồn nước ngầm chiếm 80 – 85 tổng lượng; ở Istanbul, nồng độ THMs của nước thành ph m < 250 g/L M c d chưa có tiêu chu n để so sánh nhưng tác giả đã đề xuất nên sử dụng ozone thay thế cho chlorine trong quá tr nh khử tr ng và kiểm soát tốt quá tr nh keo tụ – tạo bông để giảm nồng độ THMs Đề xuất trên của các tác giả dựa trên cơ sở kết quả thực nghiệm là tiền năng h nh thành THMs đã được giảm 35 đối với nguồn nước m t ở Ý

Theo nghiên cứu của Hong và cộng sự 2007) [37] về các mô h nh h nh thành THMs của nước sông Dongjiang Hong Kong) ở các nồng độ chlorine khác nhau Kết quả cho thấy chất lượng nước sông suy giảm quá mức Thời gian phản ứng và nồng độ Br-

trong nước gây ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành của THMs Nồng độ THMs rất cao, dao động từ 11700 và 91800 g/L trong thời gian phản ứng từ 6 - 168 giờ và nồng độ ion Br- từ 10 – 310 mg/L Tác giả c n khẳng đ nh nồng độ cao như thế là một báo động về các chất có tiềm năng gây ung thư ở quốc gia này

Siddique và cộng sự (2012) [38] đã khảo sát nồng độ THMs của hệ thống phân phối nhà máy nước của thành phố Karachi Pakistan) Phương thức lấy mẫu ngẫu

HVTH: Lê Th Thu Thanh

nhiên ở 58 v trí khắp thành phố và theo mùa Kết quả cho thấy giá tr trung bình theo m a đông là 71,8 g/L và m a hè 72,28 g/L

Mouly và cộng sự 2010) [9] khảo sát nồng độ THMs trên mạng lưới phân phối nước tại 3 thành phố ở Pháp Từ năm 2006 – 2007, nồng độ THMs trong nước của các thành phố 21,6 g / L đến 59,9 g / L Một mô h nh toán học đã được thiết lập để ước t nh sự gia tăng nồng độ THMs từ điểm đầu ra của nhà máy đến một số điểm nhất đ nh trên mạng lưới động học hình thành THMs xảy ra rất nhanh và sau đó chậm lại Sau 36 giờ, khử trùng lần 2 s làm ảnh hưởng một phần tới sự hình thành THMs Ảnh hưởng này trở nên mạnh m khi thời gian lưu nước dài

Các nghiên cứu liên quan đến THMs ở Vi t Nam

Walter và cộng sự (2003) [39] đã nghiên cứu hợp chất hữu cơ bay hơi, sản ph m phụ của quá trình khử trùng ở 8 nhà máy xử lý nước ngầm thuộc nội thành Hà Nội (1998 – 2001) Kết quả cho thấy nồng độ THMs dưới mức tiêu chu n của WHO, EU và US EPA m c dù các nhà máy này vẫn áp dụng công nghệ điển hình như: sục khí, lắng, lọc cát và khử trùng bằng chlorine

Dương Hồng Anh và cộng sự (2005) [10] nghiên cứu nghiên cứu khả năng hạn chế sự tạo thành trihalogenmetan trong nước cấp đã clo hoá bằng hydrogenpeoxit Các tác giả đã khảo sát nồng độ và nghiên cứu một yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành THMs trong nước cấp và kết luận rằng tác nhân khử tr ng H2O2/Ag cho thêm vào sau quá tr nh khử tr ng có khả năng giảm đáng kể nồng độ THMs do cơ chế khử chlorine tự do

Ngô Văn Tứ và Nguyễn Khoa Hiền (2009) [40] sử dụng k thuật không gian hơi kết hợp GC-ECD HS/GC/ECD) để xác đ nh trihalomethanes trong nước máy tại Thừa Thiên Huế Các tác giả đã mô tả một phương pháp xác đ nh THMs trong nước cấp có độ chính xác cao Nhà máy nước tại Thừa Thiên Huế sử dụng nước javen khử tr ng nhưng giá tr THMs từ 15 – 35 µg/L

Vu và cộng sự 2012) [5] cho rằng chất lượng nước thô của sông Sài G n đã xuống cấp v sự gia tăng các chất ô nhiễm của hoạt động nông nghiệp, công nghiệp

HVTH: Lê Th Thu Thanh

và trong nước ở khu vực thượng nguồn Điều này đã dẫn đến tiêu thụ chlorine cao của các nhà máy xử lý nước lấy nước thô từ sông Sài G n Tổng lượng chlorine sử dụng tại trạm bơm H a Ph và của nhà máy lần lượt là 1 - 2 và 2 - 4 g/m3 Tổng số (TOC) giá tr carbon hữu cơ của nước thô dao động trong khoảng 2,9 - 4,1 mg/L Sự kết hợp giữa chất hữu cơ cao và nồng độ chlorine cao dẫn đến t m năng h nh thành tổng THMs khoảng 108 - 123 μgTHM/mgDOC Trung bình tại bể lắng và sau bể khử trùng khoảng 76,7 và 155,8 g / L và nồng độ này đã đi vào mạng lưới phân phối nước sạch của nhà máy Các tác giả c n cho rằng sự h nh thành THMs có thể được dự đóa qua các thông số UV254, TOC hay DOC của nguồn nước thô

1.4 NHÀ MÁ NƯỚC T N HIỆP- TP HỒ CHÍ MINH 1.4.1 Giới thi u

Nhà máy nước Tân Hiệp ở Ấp Thới Tây 1, xã Tân Hiệp, huyện Hóc Môn, Tp HCM, có công suất 300000 m3/ngày đêm, được khởi công xây dựng từ năm 1992 và chính thức hòa vào mạng lưới nước sạch của Tp HCM vào ngày 23 tháng 7 năm 2004 Sự hoạt động của nhà máy đã bổ sung một nguồn nước mới, đáp ứng k p thời nhu cầu nước sạch của hơn 3 triệu dân thuộc khu vực các quận 6, 8, 10, 11, 12, Gò Vấp, Tân Bình, Tân Phú, Bình Tân, huyện Nhà Bè và huyện Bình Chánh

Nhà máy sử dụng nguồn nước đầu vào từ sông Sài G n, thông qua trạm bơm H a Ph Tại đây, nước thô từ sông Sài G n, có pH khoảng 5,0 – 6 được châm vôi nâng pH lên khoảng 6,8 – 7,2 Chlorine cũng được châm sau song chắn rác để diệt rong, rêu, tảo nhằm bảo vệ đường ống Nước thô được bơm về bể phân chia lưu lượng của nhà máy nước Tân Hiệp qua hơn 10 km bằng ống bê tông dự ứng lực 1500 mm, và tiếp tục đi vào quy tr nh xử lý nước tại nhà máy

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Hình 1.1: Quy tr nh xử lý nước và 3 v tr lấy mẫu tại nhà máy Tân Hiệp

1.4.2 Ph n v ng cấp nước của Nh má nước T n Hi p

Hệ thống phân phối nước của nhà máy nước cấp Tân Hiệp bao gồm 5 tuyến ống truyền dẫn chính, cụ thể như sau:

- Tuyến ống D1500 – D800 – D900 – D1200 trên đường Quốc lộ 22 – Trường Chinh – Cộng Hòa – Phổ Quang – Hoàng Minh Giám – Nguyễn Thái Sơn cấp nước cho các khu vực thuộc Huyện Hóc Môn, Quận 12, Quận Tân Bình, Quận Tân Phú, Quận Gò Vấp

- Tuyến ống D1500 – D1000 – D800 trên đường Tây Thạnh – Tân Quý – Tân Hương – Bình Long – Phan Anh – Tân H a Đông – Nguyễn Văn Luông - Chợ Lớn – An Dương Vương cấp nước cho các khu vực thuộc Quận Tân Phú, Quận 6, Quận 8

HVTH: Lê Th Thu Thanh

- Tuyến ống D800 – D600 trên đường Hồng Bàng – Minh Phụng – Bình Tiên – Nguyễn Duy – Tạ Quang Bửu cấp nước cho các khu vực thuộc Quận 6, Quận 8 - Tuyến ống D800 – D600 trên đường Quốc lộ 1A – cầu B nh Phước cấp nước

cho các khu vực thuộc Quận 12, Quận Gò Vấp, Quận Thủ Đức - Tuyến ống D800 trên đường Quốc lộ 1A – Bến ph Đ nh cấp nước cho các khu

vực thuộc Quận 12, Quận Bình Tân, Huyện Bình Chánh Chi tiết vùng phục vụ cấp nước của nhà máy nước Tân Hiệp gồm các phường, xã

thuộc Tp HCM như sau: - Quận 6: Phường 7, 8, 9, 10, 13 và 14 - Huyện B nh Chánh: xã An Ph Tây, B nh Chánh, B nh Hưng, Bình Lợi, Đa

Phước, Hưng Long, Lê Minh Xuân, Phạm Văn Hai, Phong Ph , Tân Kiêng, Tân Quý Tây, TT Tân T c, Vĩnh Lộc A, Vĩnh Lộc B

- Quận B nh Tân: Phường An Lạc, An Lạc A, B nh Hưng H a, B nh Hưng H a A, B nh Hưng H a B, B nh Tr Đông B, Tân Tạo, Tân Tạo A

- Quận Thủ Đức: Phường B nh Chiểu, Hiệp B nh Phước, Tam B nh,Tam Ph - Quận Phú Nhuận: Phường 10, 13, 14

- Quận Gò Vấp: Phường 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15 - Quận 10: Phường 15

- Quận 11: Phường 1, 2, 3, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 - Quận Tân Bình: Phường 4, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 15

- Quận Tân Ph : Phường Hiệp Tân, Hòa Thạnh, Ph Trung, Sơn K , Tân Quy, Tân Thới Hòa, Tây Thạnh

- Quận 12: Phường Đông Hưng Thuận, Hiệp Thành, Tân Chánh Hiệp, Tân Hưng Thuận, Tân Thới Hiệp, Tân Thới Nhất, Thới an, Trung M Tây, xã An Phú Đông, Thạnh Lộc, Thạnh Xuân

- Huyện Hóc Môn: xã Bà Điểm

HVTH: Lê Th Thu Thanh

Hình 1.2: Khu vực lấy mẫu trên đ a bàn trung tâm Tp HCM

1.4.3 Chất lượng nước trên đường ống tại Tp HCM

Theo báo cáo của Bộ Y Tế Việt Nam 2012), chất lượng nước tại nhà máy nh n chung đạt tiêu chu n nước cấp cho ăn uống QCVN 01:2009/BYT Mạng lưới truyền dẫn và phân phối nước sạch hiện không được cải tạo và nâng cấp đồng bộ Chưa đảm bảo cấp nước liên tục 24 giờ/ngày Hầu như ch hoạt động 14 – 20 giờ/ngày dẫn đến việc giảm nhanh áp lực trong hệ thống phân phối, nước ch có thể chảy vào các bể chứa nước nước đất của các hộ gia đ nh mà không thể tự chảy lên các bể cao hơn Áp lực nước trong đường ống thấp ho c không có áp lực hay thậm ch áp lực âm, và các đấu nối b hỏng làm cho nước dễ dàng b thấm khi vận chuyển trong đường ống Khi áp lực tăng lên đến mức đủ cho nước tự chảy > 0,6 m/s) th những c n b n lâu ngày trong hệ thống ống có thể b bong ra và làm giảm chất lượng nước Chất lượng đường ống kém do đó nước cấp đến hộ sử dụng thường không đảm bảo yêu cầu nước uống trực tiếp mà ch đạt tiêu chu n chất lượng nước

NHÀ MÁY NƯỚC TÂN HIỆP

300.000 m3/ngày

HU VỰC HẢO SÁT

HVTH: Lê Th Thu Thanh

cấp sinh hoạt theo QCVN 02: 2009/BYT Theo Hội Cấp thoát nước Việt Nam, tỷ lệ r r và thất thoát nước sạch của Tp HCM là 38 – 40% [1]