Giải pháp xử lý amoni và asen cho trạm xử lý cấp nước ngầm sinh hoạt làng nghề tân triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÊ TIẾN DŨNG KHÓA : 2017 - 2019 GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN CHO TRẠM XỬ LÝ CẤP NƯỚC NGẦM SINH HOẠT LÀNG NGHỀ TÂN TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 60.58.02.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÊ TIẾN DŨNG KHÓA : 2017 - 2019 GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN CHO TRẠM XỬ LÝ CẤP NƯỚC NGẦM SINH HOẠT LÀNG NGHỀ TÂN TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 60.58.02.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN HIỂ Hà Nội - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÊ TIẾN DŨNG KHÓA : 2017 - 2019 GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN CHO TRẠM XỬ LÝ CẤP NƯỚC NGẦM SINH HOẠT LÀNG NGHỀ TÂN TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật sở hạ tầng Mã số : 60.58.02.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ SỞ HẠ TẦNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VĂN HIỂN XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN Hà Nội - 2019 LỜI CẢM ƠN Luận văn sản phẩm nghiên cứu tác giả, nhiên hồn thiện sản phẩm khơng hẳn cơng sức tác giả Trong trình thực nghiên cứu này, tác giả nhận giúp đỡ nhiều người, nhiều đơn vị ngồi ngành Hơm nay, sản phẩm nghiên cứu có kết định, tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn đến tổ chức, đơn vị cá nhân giúp tác giả hồn thiện nghiên cứu Trước tiên, tác giả xinh gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Hiển, người ln tận tình bảo, hướng dẫn đồng hành tác giả thực nghiên cứu thời gian vừa qua Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến giáo sư, tiến sĩ hội đồng khoa học góp ý, hướng dẫ tác giả chỉnh sửa, định hướng cho nghiên cứu cách hồn thiện q trình thực nghiên cứu Xin cảm ơn thầy cô Khoa sau đại học – Đại học Kiến Trúc Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình đào tạo trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Tác giả LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Lê Tiến Dũng MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng, biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Các khái niệm, thuật ngữ Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƯỚC NGẦM VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN 1.1 Hiện trạng ô nhiễm số phương pháp xử lý hợp chất Nitơ asen nước ngầm 1.1.1 Ô nhiễm chất Nitơ phương pháp xử lý 1.1.2 Ô nhiễm chất Asen phương pháp xử lý 18 1.2 Thực trạng công nghệ nhà máy nước ngầm Hà Nội 22 1.3 Thực trạng công nghệ xử lý nước ngầm làng nghề Tân Triều 23 1.3.1 Tổng quan làng nghề Tân Triều 23 1.3.2 Công nghệ xử lý nước ngầm làng nghề 25 1.4 Đánh giá công nghệ xử lý nước ngầm 26 1.4.1 Công nghệ xử lý nước ngầm Hà Nội 26 1.4.2 Công nghệ xử lý nước ngầm làng nghề Tân Triều 27 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 28 1.5.1 Khái quát chung 28 1.5.2 Các đề tài nghiên cứu 28 1.5.3 Các luận án, dự án thực 29 1.5.4 Nhận xét tình hình nghiên cứu liên quan 30 1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu, giải đề tài 31 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC CHO GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN 33 2.1 Lý thuyết cho q trình nitrat hóa khử nitrat 33 2.1.1 Q trình nitrat hóa 33 2.1.2 Quá trình khử nitrat 34 2.2 Lý thuyết cho trình lọc 37 2.2.1 Quy luật trình lọc nước qua lớp vật liệu lọc giữ cặn bẩn lỗ rỗng (lọc nhanh) 38 2.2.2 Quá trình thay đổi nồng độ cặn theo chiều dày lớp lọc thời gian lọc 41 2.3 Lý thuyết cho trình lọc hấp phụ asen 45 2.3.1 Nguyên lý chung lọc vật liệu hấp phụ 45 2.3.2 Các thông số đặc trưng cho trình hấp phụ 46 2.3.3 Quy luật trình hấp phụ nước qua màng hấp phụ tạo bề mặt lớp vật liệu hấp phụ 47 2.3.4 Vật liệu lọc hấp phụ ODM-3F 48 2.4 Lý thuyết cho trình lọc trao đổi ion 50 2.5 Các yếu tố ảnh hưởng trình xử lý amoni asen 54 2.5.1 Quá trình ntrat hóa 54 2.5.2 Quá trình khử nitrat 55 2.6 Yếu tố ảnh hưởng tới giải pháp công nghệ xử lý trạm cấp nước sinh hoạt làng nghề Tân Triều 56 2.6.1 Các văn pháp lý, qui chuẩn, tiêu chuẩn: 56 2.6.2 Định hướng cấp nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn 2050 58 2.7 Bài học kinh nghiệm xử lý nước ngầm nhiễm Amoni Asen cho Hà Nội 60 2.7.1 Mơ hình xử lý Amoni nhà máy nước Nam Dư 60 2.7.2 Mơ hình xử lý Asen nhà máy nước Thanh Trì 61 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI VÀ ASEN CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC NGẦM SINH HOẠT LÀNG NGHỀ TÂN TRIỀU 63 3.1 Giải pháp xử lý Amoni kết hợp khử sắt 63 3.2 Giải pháp xử lý amoni Asen lọc hấp phụ sử dụng vật liệu ODM 3F 64 3.3 Giải pháp xử lý Amoni Asen lọc trao đổi ion sử dụng vật liệu cation Na+ 65 3.4 Giải pháp tích hợp xử lý sắt kết hợp với Amoni Asen 65 3.5 Đánh giá lựa chọn giải pháp tối ưu cho làng nghề Tan Triều 67 3.5.1 Hiện trạng trạm xử lý khai thác 67 3.5.2 Đề xuất giải pháp xử lý cho làng nghề Tân Triều 68 3.6 Tính tốn, thiết kế dây chuyền cơng nghệ theo phương pháp lựa chọn 72 3.6.1 Tính tốn cơng trình đơn vị 72 3.6.2 Thiết kế cơng trình trạm xử lý 81 3.7 Giải pháp quản lý vận hành dây chuyền công nghệ 82 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 86 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng, Tên bảng, biểu Trang biểu Bảng 1.1 Đặc trưng chất lượng nước ngầm số 11 nhà máy nước ngầm khu vực Hà Nội Bảng 1.2 Nồng độ Asen nước thô số bãi 20 giếng khu vực Hà Nội Bảng 1.3 Thống kê cơng trình, thiết bị 24 Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật vật liệu ODM-3F 46 Bảng 3.1 Bảng thống kê cơng trình, thiết bị 67 76 - Vật liệu: Inox SUS304 thép không rỉ Tính tốn bình lọc nhanh tự rửa - Lưu lượng thiết kế: 42 m3/h - Chọn bình lọc nhanh, bình: 10,5 m3/h - Vận tốc lọc: 4,5 m/h, diện tích lọc: 2,4 m2 - Đường kính bình lọc: D = 1800mm, chiều cao H = 4,2m - Đường kính ống dẫn vào bình lọc nhanh: D1 = 80mm, vận tốc V = 0,7 m/s - Đường kính xi phơng tự rửa: D = 125mm, cường độ rửa lọc 12l/sx1m2, vận tốc rửa V = 2,5 m/s - Vật liệu: Inox SUS304 thép không rỉ Khử trùng Lượng clo lỏng dùng cho T.X.L ngày: Qclo = Qxpclo/1000 = 1000 x /1000 =2 kg/ng = 0,085 kg/h Trong đó: pclo- Lượng clo cần sử dụng (mg/l) Chọn bình clo lỏng việt trì ( thêm bình dự phòng) có trọng lượng: 50kg Chọn máy bơm kỹ thuật, lưu lượng bơm là: l/s, áp lực bơm :35m (tương đương 3,5kG/cm2) Nhà bơm, hóa chất vận hành Chọn nhà gian: gian đặt bơm 4x3,6m, gian hóa chất 3x3,6m, gian vận hành 3x3,6m Tổng kích thước nhà: 10x3,6m Tính tốn Tháp làm thoáng cao tải, bể lọc xúc tác oxy hố 77 a Tính tốn tháp làm thống cao tải (Số lượng cái) - Lượng khơng khí cần thiết để xử lý: Qgio  Fe 2 QxK x6,7 x36 x5   2,412 1000 1000 m3/h = 67x10-5 m3/s Trong đó: Q - Cơng suất trạm xử lý; m3/h - Tỉ lệ khơng khí cần thu cho 1g ion Fe2+ lít khơng khí K - Hệ số kể đến lượng khơng khí bổ xung để oxy hoá hợp chất hữu thành phần cần tiêu tốn oxy có nước (K = 2-5 - TCVN33-06) - Chọn thiết bị: sử dụng thiết bị làm thống cao tải Inox có hai tầng thu khơng khí, kích thước (có vẽ kèm theo) Các thông số sau (theo thực nghiệm): + Đường kính tháp: D = 500mm + Chiều cao toàn phần: H = 2450mm + Hai tầng thu khí (cách 1400mm) có khoang thu khí hình chữ nhật, kích thước (150x50)mm - Một tầng có khoang bố trí cách 150mm + Lưu lượng khí thu > = 67x10-5 m3/s b Tính tốn bể lọc tiếp xúc oxy hoá (Số lượng cái) - Thời gian lưu nước 30 phút - Chức năng: để Fe++ tiếp xúc với O2 khơng khí nhờ hạt Xifo hồ trộn + Dung tích bể: W = Q x T/ 60 = 36 x 30/ 60 = 18 m3 78 Trong đó: T - Thời gian lưu nước(30 phút) Q - Lưu lượng (36 m3/h) + Vật liệu: sử dụng vật liệu hạt xúc tác Xifo, chiều dày lớp vật liệu là: 0,4m Chọn hai bể lọc tiếp xúc bình Inox, bể có dung tích 9m3, với kích thước sau: DxH = 2x2,5m Chiều cao toàn phần bể: 3,2m + Thời gian xả cặn: 1tuần + Vận tốc dâng bể: Vd = Hl x 1000/T = 2,5 x 1000/(30 x 60) = 1,38 mm/s (thoả mãn) Bể lọc nhanh trọng lực (Số lượng cái) + Diện tích bể: F = Q/ (T x Vtb - 3,6 x W x t1 - a x t2 x Vtb) m2 F = 720 /(20 x - 3,6 x 10 x 0,1 - x 0,35 x 6) = 6,3 m2 Trong đó: T - Thời gian làm việc trạm ngày(20 h) Vtb - Tốc độ lọc tính tốn, = m/h W - Cường độ nước rửa lọc (l/s m2) a - Số lần rửa bể ngày t1 - Thời gian rửa lọc (h) t2 - Thời gian ngừng bể lọc để rửa (h) Chọn bể làm việc, bể có diện tích:3,15 m2, kích thước: DxH = x2,6m + Chiều cao lớp vật liệu lọc cấu tạo gồm lớp: Lớp vật liệu lọc ODM-3F đặt phía trên, cỡ hạt d = 1,2 - 1,5mm Chiều dày lớp: 0,8m 79 Lớp cát thạch anh đặt phía dưới, cỡ hạt d = 0,6 - 0,8mm, chiều dày:0,7m Lớp sỏi đỡ đặt cùng, cỡ hạt d = 5-15mm, chiều dày: 0,2m + Chiều cao toàn phần bể lọc nhanh : H = Hđay + Hv.liệu + Hnước + Hb.vệ (m) H = 0,3 + 1,4 + 1,2 + 0,3 = 3,2(m) + Ống dẫn nước vào, bể lọc: Với hai bể làm việc đồng thời, lưu lượng vào bể: 18 m3/h, tương đương 0,005 m3/s, chọn đường kính ống dẫn D80mm, tính V =1m/s + Hệ thống phân phối nước rửa lọc: - Lưu lượng rửa: Qr = f x W/ 1000 = 3,15 x 10/ 1000 = 0,0315 m3/s Chọn đường kính ống dẫn chính: Dc = 150mm, ống dẫn ống thép tráng kẽm Vậy vận tốc ống Vô = Qr / fc = 0,0315 x 4/ 3,14 x (0,15)2 = 1,8 m/s ( thoả mãn) Chọn ống nhánh (4 ống) có đường kính: D = 80mm,vận tốc ống: Vơng = Qr / fnh = 0,0315 x 4/ 4x3,14 x (0,08)2 = 1.56 m/s ( thoả mãn) - Tổn thất áp lực rửa bể: + Tổn thất qua hệ thống dàn ống: hc = V ô2/ 2g = 18x(1,56)2/2x9,81 = 2,3m + Tổn thất lớp vật liệu lọc: hvl+ = (a + b x W) x L x e = (0,76 + 0,017 x 10) x 1,4 x 0,45 = 0,6 m đó: a,b - Các hệ số,L - chiều dày lớp vl, e - Độ giãn nở lớp vll 80 + Áp lực tự do: htd = 0,5m - Tổng tổn thất bể lọc là: Hw = hc + hvl + htd =2,3 + 0,6 + = 3,4m Trạm bơm rửa lọc + Lưu lượng bơm rửa lọc: dựa vào cường độ nước rửa lọc, tính QB = 31,5l/s = 113,4 m3/h + Áp lực cần thiết bơm: Hb = hhh + hô + htr + hBL ; m Trong đó: hhh - Chiều cao hình học từ mực nước thấp bể chứa tới bờ máng thu nước rửa lọc, hhh = m hô - Tổn thất qua ống dẫn từ nhà bơm tới bể lọc, m, hô = 3m htr - Tổn thất qua trạm bơm m, htr = 2,5 m hBL - Tổn thất qua bể lọc m, hBL = 3,4 m Vậy áp lực máy bơm cấp hai là: Hb = + + 2,5 + 3,4 = 13 m Chọn hai bơm rửa lọc, bơm có thơng số; Q = 31,5 l/s Hb = 13m khử trùng Lượng clo lỏng dùng cho T.X.L ngày: 81 Qclo = Qxpclo/1000 = 720 x 2,5 /1000 =1,8 kg/ng = 0,09 kg/h Trong đó: pclo- Lượng clo cần sử dụng (mg/l) Chọn bình clo lỏng việt trì ( thêm bình dự phòng) có trọng lượng: 100kg Chọn máy bơm kỹ thuật, lưu lượng bơm là: l/s, áp lực bơm :35m (tương đương 3,5kG/cm2) 3.6.2 Thiết kế cơng trình trạm xử lý 82 Hình 3.10 Thiết kế cụm cơng trình xử lý nước 3.7 Giải pháp quản lý vận hành dây chuyền công nghệ Bơm giếng: - Tiến hành thử áp lực đường ống hút ống đẩy lên tháp làm thoáng Áp lực thử phải 1,5 lần áp lực tính tốn (khoảng 6-9at) Việc tiến hành thử áp lực phải đồng thời với đường ống trạm bơm - Đóng van hai chiều đường ống đẩy - Mở máy bơm giếng, bơm hoạt động áp lực kế báo số thiết kế - Mở van hai chiều đường ống đẩy - Định kỳ thổi rửa giếng: năm Tháp làm thoáng thiết bị lọc tiếp xúc: - Kiểm tra vật liệu xúc tác thiết bị lọc xúc tác - Mở van cho nước vào tháp làm thoáng - Mở van cho nước vào bể lọc tiếp xúc - Kiểm tra độ ồn, độ dung, mối nối, độ kín khít thiết bị cho nước vào Bể chứa nước Các phao báo mực nước đặt cao độ thiết kế (Mực nước Max cách mái bể 0,2m, mực nước Min cách đáy bể 0,2m) Dùng đường dẫn (dây điện) kết nối với tủ điện điều khiển, từ tủ điện điều khiển máy bơm tăng áp bơm cấp II Trạm bơm cấp hai 83 - Tiến hành thử áp lực đường ống hút ống đẩy trạm bơm Áp lực thử phải 1,5 lần áp lực tính tốn (khoảng 6-9at) - Đóng van hai chiều đường ống đẩy - Mở máy bơm tăng áp, bơm hoạt động áp lực kế báo số thiết kế - Mở van hai chiều đường ống đẩy máy bơm tăng áp - Mở máy bơm cấp II, bơm hoạt động áp lực kế báo số thiết kế - Mở van hai chiều đường ống đẩy máy bơm cấp II - Kiểm tra độ ồn, độ dung, mối nối, độ kín khít đường ống, thiết bị trạm bơm Bình chứa khí clo, clorator, máy bơm clo lỏng - Kiểm tra van khóa, đồng hồ đo áp lực khí clo bình - Mở van khóa cho khí clo qua clorator để hố lỏng clo - Đóng van đường ống đẩy máy bơm định lượng clo - Mở máy bơm định lượng clo lỏng, áp lực kế, lưu lượng kế báo số thiết kế - Mở van khoá đường ống đẩy máy bơm kỹ thuật, bơm clo lỏng vào đường ống nước dẫn từ thiết bị lọc áp lực xuống bể chứa nước Trong trình vận hành khai thác, cơng trình cần vận hành thường xuyên, cụ thể: - Vận hành giàn mưa; - Vận hành bể lắng tiếp xúc đứng; 84 - Vận hành bể lọc nhanh trọng lực bậc 1; - Vận hành bể lọc nhanh trọng lực bậc 2; - Vận hành hệ thống khử trùng máy Ơzơn cơng nghiệp; - Vận hành trạm bơm cấp II Ngồi cơng việc vận hành kể đến giếng khoan, hệ thống điện phục vụ trạm xử lý, cho trạm bơm cấp 2, giám sát theo dõi bể chứa nước kiểm tra chất lượng nước trước sau xử lý Các công việc không thường xuyên khác như: vệ sinh trạm, mạng lưới thoát nước rửa lọc nước mưa.v.v Việc bảo dưỡng, sửa chữa trạm xử lý thực định kỳ, cụ thể khoảng tháng đến năm, tùy thuộc vào cơng trình đơn vị Cụ thể sau: - Giếng khoan: việc thau rửa giếng khoan thực định kì năm/1 lần Cơng việc thau rửa giếng khoan bao gồm: + Thổi rửa giếng khí ép; + Đánh rỉ, thơng tắc đóng cặn cách sử dụng dung dịch HCL loãng, nồng độ 18-30% - Giàn mưa: định kì tháng (1 Quý) thau rửa, nạo cặn sắt giàn mưa thiết bị chuyên dụng Nếu bị rỉ, cặn sắt sử dụng dung dịch axit HCL loãng, nồng độ 18-30% - Bể lắng tiếp xúc: định kì tháng (2 Quý) thau rửa, nạo vét cặn đáy bể lắng Thau rửa, khử trùng bể dung dịch nước Zaven, hàm lượng từ 15 50mg/l - Bể chứa nước sạch: định kì tháng (2 Quý) thau rửa, nạo vét cặn đáy bể chứa Thau rửa, khử trùng bể dung dịch nước Zaven, hàm lượng từ 15 - 85 50mg/l - Bể lọc bậc 2: định kì tháng (2 Quý) thau rửa, đánh rửa cặn bám thành bể lọc Thau rửa, khử trùng bể dung dịch nước Zaven, hàm lượng từ 15 50mg/l - Hệ thống máy khử trùng Ơzơn cơng nghiệp: định kì tháng (2 Q) bảo dưỡng máy nghiệp vụ chuyên môn nhà sản xuất - Trạm bơm cấp 2: định kì tháng (2 Quý) thau rửa, bảo dưỡng máy bơm hệ thống đường ống trạm Ngoài kết hợp bảo dưỡng tủ điện, thay thiết bị, phụ kiện bị hư hỏng - Hệ thống đường ống trạm xử lý: định kì tháng (2 Quý) thau rửa, súc xả đường ống nước áp lực, khử trùng đường ống dung dịch nước Zaven, hàm lượng từ 15 - 50mg/l 86 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Asen (Arsenic) chất phi kim cực độc hàm lượng cho phép nước dùng cho ăn uống không vượt 0,01 mg/l theo QCVN 01:2009/BYT Từ năm 2002 tiêu chuẩn Bộ Y tế áp dụng cho nước dùng cho ăn uống Việt Nam (hàm lượng As