Hiệu quả xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ bằng phương pháp keo tụ kết hợp than hoạt tính và màng lọc

Nguồn nước mặt bị ô nhiễm hữu cơ là một trong những nguyên nhân gây khó khăn cho quá trình xử lý nước cấp. Các công nghệ truyền thống như keo tụ, lắng, lọc, khử trùng không đáp ứng tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt nếu hàm lượng chất hữu cơ trong nước đầu vào cao. Công nghệ màng lọc kết hợp than hoạt tính được xem là giải pháp hiệu quả cho xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ nồng độ cao.

HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC MẶT Ô NHIỄM HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ KẾT HỢP THAN HOẠT TÍNH VÀ MÀNG LỌC Nguyễn Thị Thanh Phượng (1) Nguyễn Hoàng Lan Thanh Nguyễn Thị Quỳnh Sa Nguyễn Bảo Trân Hồ Thị Thiên Kim TĨM TẮT Nguồn nước mặt bị nhiễm hữu nguyên nhân gây khó khăn cho q trình xử lý nước cấp Các công nghệ truyền thống keo tụ, lắng, lọc, khử trùng không đáp ứng tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt hàm lượng chất hữu nước đầu vào cao Cơng nghệ màng lọc kết hợp than hoạt tính xem giải pháp hiệu cho xử lý nước mặt nhiễm hữu nồng độ cao Thí nghiệm Jartest loại phèn sắt, nhôm PACl phèn PACl có hiệu keo tụ tốt Kết nghiên cứu mơ hình kết hợp màng lọc PAC cho thấy hiệu xử lý chất ô nhiễm đạt cao nồng độ than hoạt tính sử dụng 20 mg/L Hiệu suất loại bỏ COD, độ đục UV254 86,07%; 79,9% 52,19% Từ khóa: Màng lọc, bột than hoạt tính, nước mặt, chất hữu Đặt vấn đề Q trình cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước bên cạnh việc thúc đẩy kinh tế phát triển mang lại hệ lụy mơi trường Ơ nhiễm mơi trường nói chung, nhiễm nguồn nước nói riêng có chiều hướng gia tăng mạnh mẽ Nguồn nước mặt vừa đóng vai trò quan trọng cấp nước vừa nơi tiếp nhận nước thải, chất thải từ đô thị, khu công nghiệp, nông thôn… Sự gia tăng thành phần hữu nước đặc biệt chất hữu bền vững, khó xử lý nguyên nhân dẫn đến hình thành hợp chất trihalometan (THMs) sản phẩm phụ trình xử lý nước uống Với công nghệ xử lý nhà máy nước toàn quốc, chất hữu khơng loại bỏ; đó, cơng nghệ khử trùng thường sử dụng Clo hợp chất Clo, dẫn đến khả tạo thành THMs gây hại cho sức khỏe người[1] Trên giới, xử lý ô nhiễm hữu nguồn nước nghiên cứu phương pháp sử dụng than hoạt tính để hấp phụlà số giải pháp đề xuất [1; 2; 3] Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng lớn, chế trình bao gồm hấp phụ vật lý hóa học gây lực Van de Waals, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết ion Nghiên cứu sử dụng than hoạt tính kết hợp q trình sinh học 80% lượng carbon hữu loại bỏ [4; 5] Bên cạnh đó, cơng nghệ màng lọc sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải nước cấp Màng lọc có khả giữ lại cặn lơ lửng, hạt keo, ion, vi khuẩn Nguyên lý lọc màng dựa phân tách phân tử nước qua lớp vách ngăn nhờ lực tác dụng Như vậy, với hiệu xử lý cao, lượng tiêu thụ thấp, nhỏ gọn, công nghệ màng xem trình xử lý hứa hẹn [6] Ngồi ra, có nhiều nghiên cứu thực để nâng cao hiệu loại bỏ hợp chất hữu tự nhiên nguồn nước Một hướng Viện Mơi trường Tài nguyên, Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh 36 Chuyên đề II, tháng năm 2017 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ sử dụng than hoạt tính bổ sung vào hệ thống màng lọc UF/MF [7] Than hoạt tính có khả hấp phụ chất hữu cơ, giảm thiểu tắc nghẽn màng làm tăng khả xử lý hệ thống [8] Tuy nhiên, Việt Nam việc ứng dụng công nghệ màng lọc than hoạt tính để xử lý nước cấp mẻ Trong nghiên cứu này, màng MF kết hợp với bột than hoạt tính (PAC) sử dụng để xử lý nước sông làm nguồn cấp nước cho sinh hoạt người dân Đối tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước mặt đầu vào mô hình keo tụ lấy trạm bơm Hòa Phú Nhà máy nước Tân Hiệp.Thành phần tính chất nước mặt trình bày Bảng Bảng Thành phần tính chất nước mặt sử dụng nghiên cứu STT Thông số Giá trị pH 6,5 – 7,2 Độ đục (NTU) 74 – 76 COD (mg/L) 13,1 – 13,5 UV254 (abs/m) 0,42 – 0,45 2.2 Mơ hình nghiên cứu Mơ hình keo tụ Mơ hình gồm beaker dung tích 1.000 mL đặt hệ thống khuấy từ hình Ba loại phèn sử dụng trình keo tụ gồm phèn nhôm, phèn sắt phèn PACl Đối với loại phèn tiến hành xác định thông số tối ưu gồm: pH liều lượng hóa chất Mơ hình nghiên cứu điều kiện thí nghiệm trình bày Hình Bảng Nước mặt đầu vào đầu trình keo tụ phân tích thơng số pH, độ đục, COD UV254 Mơ hình hấp phụ than hoạt tính Thí nghiệm thực beaker dung tích 1.000 mL.Bột than hoạt tính tích lỗ rỗng 0,56 – 1,2 cm3/g diện tích bề mặt 500 – 1500 m2/g Nước mặt sau keo tụ cho vào beaker để hấp phụ chất ô nhiễm.Các thông số tối ưu xác định gồm pH, thời gian hấp phụ liều lượng than Sự thay đổi giá trị thông số liệt kê sau đây: • pH thay đổi từ 3; 4; 5; 6; 6,5; 7; 7,5 • Liều lượng than thay đổi 5; 10; 20; 30; 40 50 mg/L Sau khoảng thời gian hấp phụ: 15; 30; 45; 60 90 phút lấy mẫu nước đầu ra, phân tích thơng số độ đục, COD, UV254 Mơ hình màng lọc Thí nghiệm thực hệ thống màng gồm bơm cao áp, màng lọc sợi rỗng, hệ thống van, dây dẫn, kẹp Màng lọc sợi rỗng chế tạo từ poly vinylidene fluoride (PVDF) có khả chịu áp lực cao, tổng diện tích lọc 46,5 cm2, kích thước lỗ màng 0,1µm, bao gồm 15 sợi Dòng chảy bên ống thấm vào (outside-in) Bảng Điều kiện nghiên cứu thí nghiệm keo tụ Thí nghiệm Phèn sắt Phèn nhôm Phèn PACl pH tối ưu 4; 5; 5,5; 6; 6,5; 7; 7,5; 5; 5,5; 6; 6,5; 4; 5; 5,5; 6; 7; 7,5 6,5; 7; 7,5; Liều lượng tối ưu (mg/L) 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ▲Hình Mơ hình Jartest 2; 5; 10; 20; 30 ▲Hình Mơ hình màng lọc Nước sau hấp phụ than hoạt tính đưa qua hệ thống lọc nhờ bơm nhu động Tại đây, nước từ bên thấm vào bên sợi rỗng, dòng thấm với cấu tử có kích thước lớn 0,1 µm giữ lại, cấu tử nhỏ 0,1 µm thấm qua màng thu phần màng lọc Xác định thông lượng tối ưu Nghiên cứu với thông lượng thay đổi 200, 300, 400, 500 600 L/m2 Lấy mẫu nước sau lọc tương ứng thông lượng, xác định tiêu độ đục, COD UV254 Chuyên đề II, tháng năm 2017 37 Xác định ảnh hưởng PAC lên màng • Mơ hình MF: Cho nước sau keo tụ qua màng lọc MF • Mơ hình MF/PAC: Cho nước sau keo tụ qua lọc than hoạt tính, nước đầu đưa qua màng lọc MF Than hoạt tính sử dụng với pH, liều lượng thời gian hấp phụ tối ưu xác định từ thí nghiệm hấp phụ Màng lọcđược vận hành với thông số tối ưu khảo sát Đánh giá hiệu xử lý tiêu ô nhiễm COD, độ đục, UV254 sau qua hệ thống MF MF/PAC 2.3 Phương pháp phân tích Các phương pháp phân tích thực theo Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 21st, APHA/AWWA/WEF, 2005 Tiêu chuẩn Việt Nam Kết nghiên cứu 3.1 Mơ hình keo tụ UV254 UV254 ▲Hình Biến thiên hiệu xử lý COD UV254 theo pH liều lượng phèn sắt 38 Chuyên đề II, tháng năm 2017 Phèn sắt pH keo tụ tối ưu phèn sắt 5,5 Hiệu xử lý COD UV254 cao 29,77% 30,24% Hàm lượng phèn ảnh hưởng đến trình keo tụ chất nhiễm nước mặt Khi hàm lượng phèn nhỏ lượng khơng đủ để phản ứng tạo hiệu Ngược lại, hàm lượng phèn q cao bơng cặn trở trạng thái ban đầu (lơ lửng) tượng tái ổn định hạt keo Hiệu keo tụ cao đạt lượng phèn FeCl3 sử dụng 30 mg/L Phèn nhôm Hiệu suất loại bỏ COD UV254 pHopt = 28,24% 32,14% Khi pH < 5,5, Al(OH)3 có tác dụng chất kiềm, hàm lượng ion Al3+ nước tăng nhiều, bơng cặn hình thành ít, chất hữu cặn lơ lửng không lắng Khi pH > 7,5 Al(OH)3đóng vai trò axit, làm cho hiệu keo tụ bị hạn chế Đồ thị Hình cho thấy, liều lượng phèn nhôm tối ưu 40 mg/L Tương tự phèn sắt, hàm lượng phèn cho vào bể phản ứng thấp cao hiệu keo tụ khơng cao UV254 UV254 ▲Hình Biến thiên hiệu xử lý COD UV254 theo pH liều lượng phèn nhôm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ Phèn PACl pH ảnh hưởng đến trình thủy phân PACl để tạo Al(OH)3 nhân tố định hiệu q trình Do đó, pH q cao thấp hiệu keo tụ giảm dần Liều lượng phèn PACl tối ưu 10 mg/L, hiệu xử lý COD, độ đục UV254 đạt lớn 50%; 98,42% 49,76% ▲Hình Hiệu hấp phụ chất ô nhiễm theo pH UV254 nghiệm cho thấy, liều lượng than 20 mg/L thời gian hấp phụ 30 phút hiệu khử chất ô nhiễm cao nhất; độ đục, COD UV254 loại bỏ 58,83%; 51,52% 43,18% 3.3 Mơ hình màng lọc Xác định thơng lượng tối ưu Thí nghiệm xác định thơng lượng tối ưu rằngthông lượng 200 L/m2.h cho hiệu khử chất ô nhiễm tốt Thông lượng tăng hiệu suất xử lý giảm Khi thơng lượng lớn 400 L/m2.h loại bỏ chất ô nhiễm giảm, đặc biệt thông số COD UV254 ▲Hình Biến thiên hiệu xử lý COD UV254 theo pH liều lượng phèn PACl Kết khảo sát loại phèn Al2(SO4)3, FeCl3, PACl PACl phù hợp Bên cạnh đó, q trình thí nghiệm cho thấy phèn PACl có nhiều ưu điểm so với loại phèn cặn hình thành lớn, chắc, lắng nhanh, tạo cặn mặt nước 3.2 Mơ hình hấp phụ Hình cho thấy, hiệu hấp phụ chất ô nhiễm đạt cao pH = 7, hiệu suất khử độ đục, COD, UV254 53,33%; 46,97% 40,91% Trong khoảng pH >7,5sự oxi hóa Fe2+ thành Fe3+diễn dẫn đến hiệu suất hấp phụ giảm Khi pH < hiệu suất thấp hấp phụ cạnh tranh ion H+ xuất nước Khảo sát hiệu hấp phụ than hoạt tính với liều lượng thay đổi 5; 10; 20; 30;40 50 mg/L thời gian hấp phụ 15; 30; 45; 60 90 phút Kết thí ▲Hình Biến thiên nồng độ hiệu xử lý chất ô nhiễm theo thông lượng Chuyên đề II, tháng năm 2017 39 Xác định ảnh hưởng PAC trình màng lọc Hiệu xử lý chất ô nhiễm mô hình MF MF/PAC trình bày Hình hàm lượng chất hữu nước Hiệu xử lý hệ thống kết hợp tăng yếu tố sau: hấp phụ vật lý - hóa học hợp chất hữu tốt PAC, hiệu loại bỏ sinh học tốt thời gian tiếp xúc lâu dài vi sinh vật chất (Tian cộng sự, 2008) [7] Do đó, mơ hình MF/PAC có hiệu xử lý COD cao khoảng 30% so với mơ hình MF Hiệu xử lý UV254 Nồng độ UV254 đầu vào 0,21 – 0,25 abs/m; sau qua mơ hình MF MF/PAC lại 0,167 ± 0,008 abs/m 0,109 ± 0,012 abs/m Hiệu xử lý mô hình là27,27 ± 3,18% và52,19 ± 4,2% Kết nghiên cứu tương đồng với nghiên cứu Omer cộng (2008) [6], Tian cộng (2008) [7] Hiệu suất loại bỏ UV254 thí nghiệm sử dụng than hoạt tính cao gấp hai lần so với thí nghiệm khơng sử dụng than hoạt tính Điều cho thấy giả định hợp chất hữu tự nhiên loại bỏ phần lớn vùng hấp phụ; chất hữu kỵ nước khối lượng phân tử thấp loại bỏ hấp phụ than hoạt tính; chất có khối lượng phân tử lớn xử lý màng lọc MF (Oh cộng sự, 2007) [5] Kết nghiên cứu xử lý nước mặt ô nhiễm hữu trình keo tụ, màng lọc hấp phụ kết hợp màng lọc trình bày Bảng Nước mặt sau qua keo tụ tiếp tục xử lý MF MF/PAC Kết cho thấy trình MF/PAC cho hiệu khử độ đục, COD tăng từ 20% - 30% so với trình MF Các chất hữu loại bỏ phần lớn q trình hấp phụ, sau xử lý bổ sung màng lọc MF Quá trình hấp phụ giúp kiểm soát tắc nghẽn màng lọc Bảng So sánh hiệu xử lý chất ô nhiễm ▲Hình So sánh hiệu xử lý chất ô nhiễm mô hình MF MF/PAC Hiệu xử lý độ đục Độ đục đầu vào có giá trị dao động từ 1,2 - 1,6 NTU, đầu mơ hình MF MF/PAC 0,438 ± 0,032 NTU 0,186 ± 0,011 NTU; hiệu xử lý đạt 68,57 ± 2,02% 86,07 ± 1,008% Than hoạt tính đóng vai trò lọc trước vào hệ thống màng, chất lơ lửng, cặn hữu gây nên độ đục giữ lại ởbể hấp phụ [6, 7], dẫn đến hiệu xử lý mơ hình MF/PAC cao khoảng 20% so với mơ hình MF Hiệu xử lý COD Nồng độ COD đầu vào dao động từ 6,4 - 6,8 mg/L, đầu mơ hình MF MF/PAC 3,3 ± 0,245 mg/L 1,32 ± 0,13 mg/L Hiệu xử lý tương ứng 50,18 ± 2,97% 79,9 ± 1,67% Hệ thống màng vi lọc kết hợp than hoạt tính có khả kiểm sốt 40 Chun đề II, tháng năm 2017 Mơ hình Hiệu xử lý (%) Chất ô nhiễm PACl MF MF/PAC Độ đục 98,42 68,57 86,07 COD 50,0 50,18 79,90 UV254 49,76 27,27 52,19 Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy, ứng dụng màng lọc MF kết hợp than hoạt tính có khả xử lý chất hữu ô nhiễm nguồn nước Hiệu suất xử lý chất ô nhiễm phụ thuộc vào hàm lượng than hoạt tính sử dụng Nghiên cứu so với q trình màng lọc thơng thường q trình MF/PAC cải thiện đáng kể việc loại bỏ chất hữu cơ, đặc biệt UV254 COD Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh khn khổ Đề tài mã số C2015-24-03/HĐ-KHCN■ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO Cheng W., A.D.Seyed, and T.Karanfil, 2005, Adsorption of dissolved natural organic matter by modified activated carbons, Water Research, vol 39, 2281–2290 Jacangelo J.G., J DeMarco, D.M Owen, and S.J Randtke, 1995, Selected processes for removing NOM: an overview, J.-Am Water Works Assoc., vol 87 (1), 64–77 Dastgheib S.A., T.Karanfil, and W.Cheng, 2004, Tailoringactivated carbons for enhanced removal of natural organicmatter from natural waters, Carbon, vol.42, 547–557 Kim H-S., S.Takizawa, and S.Ohgaki, 2007, Application of microfiltration systems coupled with powdered activated carbon to river water treatment, Desalination, vol 202 (13), 271-277 Oh H.K., S Takizawa, S Ohgaki, H Katayama, K Oguma, and M Yu, 2007, Removal of organics and viruses using hybrid ceramic MF system without draining PAC, Desalination, vol.202(1-3), 191-198 Omer S., S.Yaxi, H.Ailing, and G.Ping, 2008, Effect of PAC addition on MBR process for drinking water treatment, Separation and Purification Technology, vol 58, 320–327 Tian J-Y, H Liang, Y-L Yang, S Tian, and G-B Li, 2008, Membrane adsorption bioreactor (MABR) for treating slightly polluted surface water supplies: As compared to membrane bioreactor (MBR), Journal of Membrane Science, vol 325, 262–270 Yali S., B Dong, N.Gao and X Ma, 2015, Powder Activated Carbon Pretreatment of a Microfiltration Membrane for the Treatment of Surface Water, Int J Environ Res Public Health, vol 12, 11269 – 11277 THE EFFICIENCY OF THE POLLUTED SURFACE WATER TREATMENT USING THE COMBINATION OF COAGULATION, ACTIVATED CARBON AND MEMBRANE Nguyễn Thị Thanh Phượng, Nguyễn Hoàng Lan Thanh Nguyễn Thị Quỳnh Sa, Nguyễn Bảo Trân, Hồ Thị Thiên Kim Institute for Environment and Resources (IER) Vietnam National University – Hochiminh City (VNU-HCM) ABSTRACT Surface water contaminated organic matter is one of the causes of problems for drinking water treatment processes The traditional technologies such as flocculation, sedimentation, filtration, disinfection not meet the standards for drinking water if organic matter content is high in the initial water Membrane filtration technology combines withpowdered activated carbon (PAC) is regarded as one of the most effective solution for high organic matter treatment Jartest experiments on types of coagulant include ferric chloride, aluminum sulfate, and poly aluminium chloride (PACl) indicate that PACl has a maximum efficiency Research results in MF-PAC system show that the highest removal efficiency of pollutants reached when the concentration of powdered activated carbon used is 20 mg/L The removal efficiencies of COD, turbidity, and UV254are 86.07%; 79.9%; and 52.19%, respectively Key words: Membrane, powdered activated carbon, surface water, organic matter Chuyên đề II, tháng năm 2017 41 ... lớn xử lý màng lọc MF (Oh cộng sự, 2007) [5] Kết nghiên cứu xử lý nước mặt ô nhiễm hữu trình keo tụ, màng lọc hấp phụ kết hợp màng lọc trình bày Bảng Nước mặt sau qua keo tụ tiếp tục xử lý MF... Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy, ứng dụng màng lọc MF kết hợp than hoạt tính có khả xử lý chất hữu ô nhiễm nguồn nước Hiệu suất xử lý chất ô nhiễm phụ thuộc vào hàm lượng than hoạt tính sử dụng... khả xử lý hệ thống [8] Tuy nhiên, Việt Nam việc ứng dụng công nghệ màng lọc than hoạt tính để xử lý nước cấp mẻ Trong nghiên cứu này, màng MF kết hợp với bột than hoạt tính (PAC) sử dụng để xử lý