TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC NGẦM KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ CÓ HÀM LƯỢNG ASEN 10mg/l VỚI CÔNG SUẤT 1000m3/ngd

Trong điều kiện Việt Nam, biện pháp phòng bị vẫn là một giải pháp tối ưu trước khi phải trực diện với vấn đề và tìm phương cách giải quyết. Nhiễm độc arsenic qua kết quả phân tích ở ĐB Bắc Bộ là một thực tế đã bắt đầu manh nha sau gần mười năm UNICEF tài trợ và cho xử dụng rộng rãi hệ thống giếng khoan.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

XỬ LÝ NƯỚC NGẦM KHU VỰC ĐỒNG

DƯƠNG QUỐC HỮU

NGUYỄN NGỌC HOÀNG OANH NGUYỄN DUY TRUYỀN

Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tình hình ô nhiễm Asen trong nước ngầm

1.2 Nguyên nhân gây nhiễm độc Asen cho nước dưới đất

1.3 Tác hại của việc ô nhiễm Asen trong

Chương 2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

2.2 Các nghiên cứu trong nước

Chương 4 :

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ

LÝ NƯỚC NGẦM KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ CÓ HÀM LƯỢNG ASEN 10mg/l

VỚI CÔNG SUẤT 1000m 3 /ngàyđêm

Chương 1 CƠ SỞ LÝ

THUYẾT

1.1 Tình hình ô nhiễm Asen trong nước ngầm

Asen cho nước ngầm

1.3 Tác hại của việc ô nhiễm Asen trong nước ngầm (Asen - “sát thủ” vô

1.1.Tình hình ô nhiễm Asen trong

và thẩm định arsenic trong 18.850 giếng khoan

toàn quốc gia nầy:Trên 13% giếng khoan có nồng

độ arsenic trên 5ug/l, khoảng 1% có nồng độ trên

50ug/L

 Tại Banglades

Tại Banglades

 1.1.2.Tại Việt Nam

Do cấu tạo địa chất, nhiều vùng ở nước ta nước

ngầm bị nhiễm asen Khoảng 13,5% dân số Việt

Nam(10-15 triệu người) đang sử dụng nước ăn từ

nước giếng khoan, rất dễ bị nhiễm asen

Cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếngkhoan,

Tại châu thổ sông Hồng, những vùng bị

nhiễm nghiêm trọng nhất là phía Nam Hà Nội,

Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định,Ninh Bình, Thái Bình và Hải Dương.

Ở Đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát

hiện nhiều giếng khoan có nồng độ asen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang

Đồng bằng Bắc Bộ

Ở khu vực Hà Nội, Theo kết quả phân tích của

Văn phòng đại diện UNICEF tại Hà Nội và Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông

thôn trung ương 6 tháng đầu năm 1999 cho thấy, mẫu nước của 351 trong số tổng số 519 giếng

khoan ở Quỳnh Lôi (Hai Bà Trưng - Hà Nội)

Đồng bằng Bắc Bộ

Tại tỉnh Thanh Hóa đã tiến hành phân tích Asen trong nước của 201 lỗ khoan nông tại các huyện Hoằng Hóa, Nông Cống, Thiệu Hóa Đa số các lỗ khoan có hàm

lượng Asen nhỏ hơn 0,05 mg/l Chỉ có 11 giếng khoan

ở Thiệu Nguyên, huyện Thiệu Hóa có Asen lớn hơn

0,05 mg/l, cao nhất đạt 0,1mg/l (4 giếng khoan).

Tại tỉnh Quảng Ninh đã phân tích Asen trong nước của

175 giếng khoan nông tại các huyện Đông Triều, thành phố Hạ Long, thị xã Uông Bí, huyện Hưng Yên Tất cả

Tại tỉnh Hà Tây chỉ có 01 kết quả phân tích Asen

trong nước lỗ khoan nông có hàm lượng Asen lớn hơn 0,05 mg/l

 Tại thành phố Hải Phòng, đã phân tích Asen

trong nước của 49 lỗ khoan nông tại huyện An

Hải, thị xã Đồ Sơn, quận Ngô Quyền, chỉ có 01 mẫu nước lỗ khoan có hàm lượng Asen vượt tiêu

 Tại tỉnh Thái Bình, qua phân tích trong nước

ngầm của 195 lỗ khoan nông tại các huyện Đông Hưng, Hưng Hà, Kiến Xương, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Vũ Thư và thị xã Thái Bình, kết quả tất cả

195 mẫu đều có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0,05 mg/l

 Tại Hà Nam: 1819/1928 (94,3%) giếng khoan có asen > TCCP của Việt Nam và quốc tế (<=10

1.2 Nguyên nhân gây nhiễm độc Asen

cho nước ngầm

Liên quan đến nhiễm độc Asen cho nước dưới đất, trên thế giới đã có nhiều cách giải thích nguyên nhân gây nhiễm độc như:

Quá trình trao đổi ion Sunfat chứa trong phân bón dư thừa trong đất và ion Asen trong khoáng vật chứa Asen cho

phép giải phóng và tích tụ Asen trong nước dưới đất.

Điều kiện môi trường khử cho phép khử ion Oxyhydroxit sắt (FeOOH) trong đất đá để giải phóng và tích tụ Asen

Từ các cách giải thích nêu trên, người ta cho rằng ở Việt Nam, Asen trong nước dưới đất có hàm lượng cao do 3

nguyên nhân sau đây:

 Nước dưới đất ở đồng bằng Bắc bộ có hàm lượng Asen cao có liên quan nguồn gốc với các khoáng vật chứa sắt

và Mangan trong đất đá, tầng chứa than bùn hoặc tầng bùn sét phân bố khá rộng rãi

 Asen có hàm lượng cao trong nước dưới đất có thể có

nguồn gốc liên quan với các vùng đá gốc chứa hàm lượng Asen

 Asen trong nước dưới đất cao có nguồn gốc từ nước thải

1.3 Tác hại của ô nhiễm Asen

Asen - “ sát thủ ” vô hình

Asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước, cả khi ở hàm lượng có thể gây chết

người, nên không thể phát hiện Vì vậy, các

nhà khoa học còn gọi asen là “sát thủ vô

hình”

Asen là một chất rất độc Có thể chết ngay nếu

uống một lượng bằng nửa hạt ngô (bắp)

 Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi asen sẽ có biểu hiện:

khát nước dữ dội, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy,

mạch đập yếu, mặt nhợt nhạt rồi thâm tím, bí tiểu

Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của

asen tới sức khoẻ là khả năng gây đột biến gen, ung thư, thiếu máu, các bệnh tim

mạch,các loại bệnh ngoài da, tiểu đường,

bệnh gan và các vấn đề liên quan tới hệ tiêu hoá, các rối loạn ở hệ thần kinh - ngứa hoặc mất cảm giác ở chi và khó nghe Sau 15 - 20 năm kể từ khi phát hiện, người nhiễm độc

thạch tín sẽ chuyển sang ung thư và chết

Chương 2

CÁC NGHIÊN CỨU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

thử nghiệm.

2.1.Các nghiên cứu ở nước ngoài

 Trong trường hợp đã bị nhiễm độc asen, muốn giảm bớt các triệu chứng của bệnh do asen,

người bệnh cần được đảm bảo chế độ ăn uống thật tốt, giảm protein, bổ sung các vitamin để giúp cơ thể thải loại asen nhanh hơn Bên cạnh

đó, bệnh nhân có thể dùng thuốc giúp gan thải asen ra khỏi cơ thể như thuốc DMPS và

DMSA Tuy nhiên phải có sự hướng dẫn của bác sĩ vì đây là những loại thuốc có thể gây ra

Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và

Công nghệ môi trường Thụy Sĩ đã lợi dụng khả năng nhạy cảm với asen của vi khuẩn

Escherichia coli để biến đổi gen sao cho chúng phát sáng khi dò thấy asen trong nước Thành công trên có thể cứu sống nhiều người đang

sử dụng nước ngầm bị ô nhiễm loại chất độc

tự nhiên này E.coli hiện cũng đang được thử

2.1.2 Dò nước ô nhiễm asen bằng

vi khuẩn phát sáng

2.2.1.Cách nhận biết Asen

Với bộ kit thử asen của Viện Địa chất, chỉ mất 7 phút để phát hiện có độc chất asen trong nước hay không Bộ kít có có giá

150.000 đồng, thử được 25 lần Với bộ kit này, có thể xác định được hàm lượng Asen trong nước từ 0,005mg/l đến 1,5mg/l

2.2 Các nghiên cứu trong nước

 Bộ kit bao gồm một lọ phản

ứng, một lọ giấy chỉ thị Asen,

một lọ bột khử cho 25 lần thử,

một lọ dung dịch As-1 và panh

gắp Tất cả được chứa trong

một chiếc túi nhựa có kích cỡ

bằng bàn tay Người sử dụng

chỉ cần đặt giấy chỉ thị vào nắp

lọ phản ứng, đổ mẫu nước,

dung dịch và bột khử vào lọ

phản ứng theo chỉ dẫn rồi đậy

chặt nắp lại Nếu giấy chỉ thị

chuyển sang màu vàng là biết

2.2.2.Chế tạo bình lọc asen trong

nước sinh hoạt

 Sử dụng đất sét, đá ong, đá son

(limônit) đã được biến tính, các

chuyên gia khoa Hoá, Đại học

Khoa học Tự nhiên Hà Nội, đã

chế tạo thành công thiết bị xử

lý asen trong nước sinh hoạt,

rất an toàn, tiện lợi cho các hộ

 Về cơ bản, bình lọc có cấu tạo như

các bình lọc thông thường nhưng bộ

cột lọc có tính năng ôxy hoá và hấp

phụ để giữ lại asen Bình lọc có thể

bằng inox hoặc nhựa với hai ngăn

Ngăn thứ nhất chứa một cột hấp phụ

làm từ các hạt đất sét, đá ong và đá

son đã được biến tính nhiệt và biến

tính nhiệt hoá Khi nước chảy qua cột

này, asen và mangan trong nước sẽ bị

 Theo tính toán, thiết bị xử lý asen quy mô

hộ gia đình bằng inox có dung tích 20 lít có giá thành khoảng 450.000 đồng Thiết bị tương tự nhưng bằng nhựa có giá thành

khoảng 300.000 đồng Khi sản xuất hàng loạt, giá có thể rẻ hơn Hộ gia đình 5 người

sử dụng nước ăn uống thì trung bình một năm phải thay cột hấp phụ một lần với chi phí khoảng 20.000 đồng

Chương 3 :

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

3.1.Phương pháp kết tủa

3.2.Phương pháp hấp phụ

3.1.Phương pháp kết tủa

Arsenat, AsO43- có khả năng tạo thành một số hợp chất kết tủa có độ tan thấp như sắt arsenat FeAsO4, canxi Arsenat Ca3(AsO4)2 , hay

mangan arsenat Mn3(AsO4)2 Ion sắt, canxi,

mangan, thường gặp trong nước ngầm và cũng cần được xử lý: loại bỏ sắt, mangan hay khử cứng cho nước bằng phương pháp vôi, sôđa Trong các quá trình xử lý đó có thể loại bỏ

 Điều kiện pH tối ưu cho kết tủa arsen là 7, song song với sự tạo thành sắt arsenat còn các phản ứng cạnh tranh tạo ra sắt hydroxit và oxit, còn trong môi trường axit thì arsen nằm ở dạng hợp chất trung hoà không tham gia phản ứng kết tủa phản ứng tạo ra mangan arsenat cũng có thể tiến trình tương

tự kết tủa arsen dưới dạng sản phẩm không tan chỉ có thể thực hiện được với As(V), tức là trước đó cần oxy hoá triệt

để As(III) thành As(V) sau khi kết tủa arsen, nước được

lọc, hợp chất arsen dạng keo được giữ lại trong tầng lọc

theo cơ chế hấp phụ trên vật liệu lọc

B Precipitation

Sơ đồ :

NƯỚC RỬA

HỒ

ỔN ĐỊNH

LẮNG

GIÀN

TỦA NGUỒN

CẶN

LỌC

KHỬ TRÙNG

CẤP NƯỚC

Ưu điểm

 Có thể xử lý triệt để và nhanh chóng Asen

Khuyết điểm

 Tiêu tốn nhiều hóa chất

 Có thể làm tắc nghẽn các công trình phía sau

 Ảnh hưởng đến chất lượng nước sau xử lý

3.2.Phương pháp trao đổi ion

 Nếu nguồn nước chứa As có độ khoáng thấp

(<500mg/l) và ít sunfat (<25mg/l) thì có thể sử dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý As

Oxy hoá As(III) thành As(V) trước khi trao đổi nhưng không cần phải điều chỉnh pH Nước sau khi được làm trong và clo hoá (oxy hoá)được chảy qua cột chứa anionit mạnh dạng Cl- có độ

 Sử dụng anionit với thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng 5- 6 phút đạt mức độ làm sạch rất cao Tuy nồng độ sunfat nhưng vẫn tìm

ẩn nguy cơ nó đẩy As ra khỏi nhựa, có thời điểm nước sau xử lý cao hơn nước đầu vào tới 160%.

 Nhìn chung các anionit khác nhau ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý As, thời gian tiếp xúc từ khoảng 1.5 –

5 phút cũng ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu quả của cột tái sinh nhựa có thể sử dụng dòng cùng

chiều lưỡng dung dịch NaCl 3.5% cần để tái sinh

không vượt quá 3 lần thể tích tầng nhựa, As được

tách ra khỏi nhựa còn dễ hơn cả bicarbonat do hiệu ứng đảo tính chọn lọc của HAsO42- Dung dịch tái

sinh có thể được xử lý bằng cách là bổ xung muối sắt

 3Na2HAsO4 + 3H2O + 2FeCl3 Fe(OH)↔ Fe(OH) 3 + Fe(H2AsO4) + 6NaCl ↓ + 6NaCl

 2Na2HAsO4 + NaHCO3 + 4Ca(OH)2 ↔ Fe(OH)

CaCO3↓ + 6NaCl + Ca3(AsO4) + 3H2O + 5NaOH.

Trao đổi các hợp chất của Asen

Sơ đồ :

NƯỚC RỬA

TRAO ĐỔI ION

GIÀN

LẮNG NGUỒN

CẶN

HỒ ỔN ĐỊNH

KHỬ TRÙNG

CẤP NƯỚC

3.3.Phương pháp hấp phụ

Với các nguồn nước có độ khoáng cao, phương pháp hấp phụ tỏ ra có hiệu quả do tính tương tác đặc thù của hệ Vật liệu hấp phụ được sử dụng là một số oxít kim loại như nhôm, sắt, mangan, hay hỗn hợp các oxit kể trên Arsen (dạng arsenat)

hấp phụ trên các vật liệu oxit trên theo nhiều tác giả là theo cơ chế tạo ra phức chất bề mặt trên

chất rắn Theo đó, trước khi tạo ra liên kết hoá học chúng được hấp phụ và nó thường là giai

pH thích hợp cho quá trình hấp phụ As trên

nhôm oxit nằm trong khoảng 5.5-6.0

Tại pH cao hơn, ví dụ pH=8 dung lượng hấp phụ chỉ còn non một nửa so với nó tại pH = 6 Dung lượng hấp phụ của nhôm oxit đối với As giảm rất mạnh khi có mặt sunfat nhưng hầu

như không tác động của ion clorua Tạp chất hữu cơ, chất keo có mặt trong nước cũng ảnh

Sơ đồ :

NƯỚC RỬA LỌC

BỂ LỌC

GIÀN MƯA

BỂ LẮNG

NƯỚC

Chương 4 :

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ

LÝ NƯỚC NGẦM KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ CÓ HÀM LƯỢNG ASEN 10mg/l VỚI CÔNG SUẤT 1000m 3 /ngàyđêm

Giàn Mưa

Lọc Rửa lọc Hấp Phụ Hồ ổn định

Khử Trùng 4.2.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

XỬ LÝ

 Nhiệm vụ :

 Khử CO2 trong nước

 Làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+

oxy hoá thành Fe3+

 Dạng giàn mưa: làm thoáng tự nhiên

 Chọn cường độ tưới là 10 m3/m2.h , diện tích bề mặt cần cho giàn mưa là:

4.2.1.Giàn Mưa

Chọn diện tích mặt bằng cho gìan mưa là : dài rộng

= 2 2 m Chia giàn mưa thành 2 ngăn, mỗi ngăn

có kích thước : 2 1 m

 Vậy diện tích toàn bộ giàn mưa là ( 2 1 ) 2 = 4

m2

 Số sàn tung: 3

 Đường kính lỗ cũng như số lỗ trên 1 sàn tung : chọn đường kính lỗ là 14mm và bước lỗ là

50mm

 Chọn sàn tung là các tấm inox có kích thước 1

1 m cần sử dụng 4 tấm inox cho 1 sàn tung

 Hệ thống thu, thoát khí và ngăn nước : góc

nghiêng giữa các chớp với mặt phẳng nằm

ngang là 45o, khoảng cách giữa 2 cửa chớp kế

 Hệ thống ống thu nước và xả cặn của giàn mưa:

 Chọn tốc nước trong ống dẫn là 1 m/s, diện tích ống dẫn nước là

 Hệ thống phân phối nước : chọn 2 ống, mỗi ngăn 1 ống dẫn chính và có vận tốc v = 0.8m/s nên đường kính ống là:

 Chọn đường kính D=90 mm, Kiểm tra lại vận

 Chọn vận tốc nước chảy trong ống phân phối chính là 1m/s,

 đường kính các ống phân phối chính là:

 Chọn các ống phân phối chính có đường kính

.4 1000.4

60,7( ) 86400.2.2 .1

 Chọn vận tốc nước trong ống nhánh là 1,4m/s Như vậy đường kính của ống nhánh là:

 Chọn đường kính lỗ phun mưa là 10mm,

số lỗ phun mưa trên 1 ống nhánh là :

 Thời gian làm thoáng của nước :

 Tổn thất thủy lực qua giàn mưa: là 0,5m.

2 2.2,1

0, 65( ) 9,8

h

g

Tóm tắt kết quả tính toán giàn mưa

1.Cường độ tưới

2.Diện tích bề mặt giàn mưa

3.Chiều cao phần làm thoáng

4.Đường kính lỗ sàn tung

5.Số tấm inox cho giàn mưa

6.Ống thu nước và xả cặn của giàn mưa

10 4 2,1 14 12 110 90 60 21

 Chọn vận tốc nước qua lỗ phân phối là 0,3m/s Tổng diện tích các lỗ phân phối trong bể lắng là:

 Chọn số lỗ phân phối trên vách phân phối trong bể lắng là 15 lỗ Kiểm tra lại vận tốc nước chảy qua các lỗ phân phối

 Chọn D=110mm, kiểm tra lại vận tốc

 Chiều cao của bể lắng là:

 chọn vận tốc cặn khi xả cặn trong ống xả là

1m/s.Đường kính ống xả cặn là:

 Chọn ống xả cặn là ống PVC có đường kính 90mm Kiểm tra lại vận tốc

 Chọn vận tốc chảy trong máng thu là 0,6m/s Diện tích mặt cắt máng thu là:

 Chọn máng có kích thước là : 0,16 0,16m

Máng này sẽ được xây dựng tương tự như

phần máng của hệ thống cũ, chiều cao từ sàn công tác đến mặt nước trong máng lấy là 0,3m

2

54,17

0,025( ) 0,6 3600.0,6

tt

Q

Bảng tóm tắt kết quả tính toán bể

lắng ngang

1.Thời gian lưu nước

lỗ mm

1,5 62,5 2,5 10 4,3 15 110

4.2.3.Bể lọc nhanh

 Lớp phía trên là than ăngtraxit nghiền nhỏ, có

đường kính tương đương dtd = 1,1mm, hệ số

không đồng nhất k = 2, chiều dày L 1 =

400mm Lớp phía dưới là cát thạch anh, cỡ hạt

 Số bể lọc cần thiết xác định theo công thức:

(bể)

 Chọn N = 3 bể

 Khi kiểm tra lại tốc độ lọc tăng cường với

điều kiện đóng một bể để rửa:

 (Nằm trong khoảng (8 – 12m), nên đảm bảo)

3 1,9 1,38 1,38 4 0,4

4.2.4.Hấp phụ với vật liệu ODM

 Đặc tính: là chất hấp phụ, hấp thụ và là vật liệu lọc đa năng

 Thành phần hóa học cơ bản : SiO2 <= 84%;

Fe2O3 <= 3,2%; Al2O3 + MgO + CaO = 8%

Kích thước hạt mm 0,8 – 2,0

Tỷ trọng kg/m 3 650 Diện tích bề mặt m 2 /g 120 - 180

Ưu điểm :

mà không cần thay đổi cấu trúc bể lọc.

Không cần sục gió.

Phạm vi ứng dụng :

 Vận tốc lọc: 5–20 m/giờ Có thể sử dụng trong các bể hở hoặc bể áp lực Hướng từ trên xuống

 Hạt ODM-2F không cần hoàn nguyên Sau một thời gian sử dụng khoảng 3 - 5 năm (tùy theo chất lượng nước nguồn và yêu cầu xử lý)

 Khối lượng chất hấp phụ trong một ngày

 Khối lượng chất hấp phụ dung trong 3 năm

G’=G.365.3=8420 kg

 Chiều cao lớp vật liệu ODM trong mỗi bể

2 5 0

 Tính toán rửa lọc

Cường độ nước rửa lọc W = 15 l/s.m2, ứng

với mức độ nở tương đối của lớp vật liệu lọc là

 Chọn vận tốc nươc trong ống nhánh vn= 2,0m/s thì tiết diện ống là:

r c

Q

S 

  

 Tính toán máng thu nước rửa lọc:

m m

Tính toán tổn thất áp lực khi rửa bể lọc nhanh:

 Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối bằng giàn ống khoan lỗ:

 Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ hd = 0,22 Ls W = 0,22 0,7 15 = 2,31 (m)

 Tổn thất áp lực qua các lớp vật liệu lọc:

hvl = ( a + bW) L E

1,53 2 18,96 2, 47( )