Nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt bằng công nghệ phóng điện vầng quang kết hợp keo tụ tạo bông

Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về việc xử lý nước cấp sinh hoạt từ nước sông bằng phương pháp phóng điện vầng quang kết hợp keo tụ tạo bông. Phóng điện vầng quang được tạo ra bởi hệ thống điện cực trụ đồng trục với điện cực ngoài dạng lưới tại điện áp khoảng 10 kV và tần số 31 kHz.

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 Nghiên cứu xử lý nước cấp sinh hoạt công nghệ phóng điện vầng quang kết hợp keo tụ tạo bơng Nguyễn Văn Dũng*, Trần Phạm Đăng Huy, Phan Thị Thúy Vy, Phạm Văn Toàn Đại học Cần Thơ, Ba Tháng Hai, Xuân Khánh, Ninh Kiều, Cần Thơ, Việt Nam Nhận ngày 25 tháng năm 2018 Chỉnh sửa ngày 24 tháng 10 năm 2018; Chấp nhận đăng ngày 07 tháng 12 năm 2018 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu việc xử lý nước cấp sinh hoạt từ nước sơng phương pháp phóng điện vầng quang kết hợp keo tụ tạo bơng Phóng điện vầng quang tạo hệ thống điện cực trụ đồng trục với điện cực dạng lưới điện áp khoảng 10 kV tần số 31 kHz Công suất tổng hệ thống đo 90 W Lưu lượng nước qua buồng xử lý 4L/P Nước xử lý theo mẻ, với suất tiêu thụ điện 1,125 kWh/m Kết thí nghiệm cho thấy kết hợp ozone UV tạo từ phóng điện vầng quang có hiệu cao việc xử lý coliforms Công đoạn tiền xử lý keo tụ tạo ảnh hưởng lớn đến hiệu xử lý tổng thể mơ hình Các tiêu nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BYT Tuy nhiên phương pháp xử lý đồng thời làm gia tăng nồng độ NO 3- nước sau xử lý Từ khóa: Nước sinh hoạt, keo tụ tạo bơng, ozone, tia cực tím, phóng điện vầng quang Đặt vấn đề việc nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt với qui mơ hộ gia đình có hiệu quả, thân thiện với mơi trường có giá thành hợp lý cần thiết Công nghệ ozone UV sử dụng phổ biến lĩnh vực xử lý nước số nơi giới nước ta 3-6 Đối với công nghệ này, ozone UV tạo từ hai thiết bị riêng rẽ thiết kế hai công đoạn khác Trong năm gần đây, phóng điện vầng quang tạo plasma lạnh để xử lý nước chủ đề thu hút quan tâm nhiều nhà Hiện số vùng nông thôn Đồng sông Cửu Long nước sinh hoạt đạt qui chuẩn vệ sinh thấp Tỉ lệ người chưa tiếp cận nước sinh hoạt đạt QCVN02:2009/BYT chiếm khoảng 63% 1 Đa phần hộ dân sử dụng trực tiếp nguồn nước mặt bị ô nhiễm từ sông kênh rạch làm nước sinh hoạt sau qua công đoạn xử lý sơ phèn Theo kết quan trắc cho thấy nguồn nước mặt sông Tiền sông Hậu bị nhiễm bẩn chất hữu vi sinh 2 Do Tác giả liên hệ ĐT.: 84-966738919 Email: maitien175@yahoo.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4269 Email: nvdung@ctu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4288 47 48 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 nghiên cứu 7-9 Plasma lạnh tạo từ tượng phóng điện vầng quang xung tác động trực tiếp vào nước cần xử lý thông qua tương tác đồng thời điện tử lượng cao, ozone UV nên có hiệu xử lý cao Tuy nhiên thiết bị sử dụng cơng nghệ phóng điện vầng quang xung kiểu thường có qui mơ xử lý lớn giá thành đắt Nguyên nhân cần phải trang bị nguồn cao áp tạo xung nhọn biên độ lớn (2530 kV) độ rộng xung nhỏ (1100 ns)7-9 Do đó, để áp dụng qui mơ xử lý hộ gia đình có giá thành hợp lý, nghiên cứu tiến hành khảo sát khả xử lý nước cơng nghệ phóng điện vầng quang tác động gián tiếp vào nước cần xử lý thông qua ozone UV tiêu diệt Đồng thời, sắt amoni bị oxy hóa Sau qua buồng plasma, nước theo đường ống trở thùng chứa Trong q trình thí nghiệm, nước cần xử lý luân chuyển tuần hoàn thùng chứa buồng plasma khoảng thời gian định trước kết thúc thí nghiệm Điện cực ngồi nối cao áp O3 UV O3 Buồng trộn khí Sơ đồ mơ hình thí nghiệm xử lý nước mơ tả Hình Mơ hình bao gồm 01 buồng plasma nối kết chungvới buồng trộnkhíhoạt động theo nguyên lý Venturi Nước đầu vào từ thùng chứa bơm vào buồng trộn khí với lưu lượng 4L/P Buồng plasma tạo thành từ hệ thống điện cực trụ đồng trục cách điện ống thủy tinh Điện cực chế thép khơng gỉ (inox) điện cực ngồi làm từ lưới inox Xung quanh điện cực khoang kín chứa ozone Điện áp cao (10 kV) đặt lên hệ thống điện cực làm xuất phóng điện vầng quang xung quanh điện cực ngồi tạo nên môi trường plasma lạnh Môi trường plasma lạnh bao gồm điện tử lượng cao, ozone UV…Tuy nhiên có UV ozone tác động vào nước bên buồng plasma UV tạo tượng phóng điện vầng quang khơng khí có bước sóng khoảng 300 nm đến 400 nm10 Lượng UV tạo xuyên qua ống thủy tinh để tác động vào nước cần xử lý Đồng thời ozone sinh hút vào buồng trộn khí hiệu ứng Venturi Tại ozone hòa trộn vào nước cần xử lý dạng bọt khí Dưới tác động đồng thời ozone UV, coliforms bị UV Điện cực Ozone Bố trí thí nghiệm trình tự thí nghiệm 2.1 Mơ hình thí nghiệm Khơng khí vào Buồng plasma Ống thủy tinh Thùng chứa nước Bơm nước Hình Mơ hình bố trí thí nghiệm 2.2 Mẫu nước thí nghiệm Mẫu nước thí nghiệm lấy sơng Cần Thơ, xã Mỹ Khánh, huyện Phong Điền, Thành phố Cần Thơ Thể tích nước cần cho lần thí nghiệm 12L Số lần lặp lại thí nghiệm 03 Mẫu nước đo tiêu chất lượng trước sau xử lý với mơ hình Đầu tiên, nước sông lọc thô để loại bỏ rác tạp chất có kích thước lớn Sau nước xử lý với phèn sắtđể tạo phản ứng keo tụ Thời gian cần thiết để hoàn thành q trình keo tụ, tạo bơng lắnglà 45 phút Kết tủa hình thành từ q trình tạo bơng lắng xuống đáy thùng Sau chiết lấy phần nước bên để cung cấp cho mơ hình thí nghiệm Thí nghiệm thực với hai loại mẫu nước không xử lý keo tụ keo tụ Các tiêu chất lượng nước đầu vào đầu thí nghiệm phân tích phương pháp thiết bị trình bày Bảng N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 30 TT Thôngsố Đơn vị Phương pháp, thiếtbị Ozone mg/L Máy đo Ozone, Hanna pH - Máy đo pH, Hanna Nitric (NO2-) mg/L Phương pháp DIAZO Nitrat (NO3-) mg/L Phương pháp SALICYLATE SODIUM Độ đục NTU Máy đo PC Checket Tổng coliforms MPN/100ml TCVN 61871,2:1996 Amoni mg/L SMEWW 4500-NH3 C Tổng sắt mg/L SMEWW 3500 B-Fe Chỉ số pecmanganat mg/L TCVN 6186:1996 Độ cứng mg/L 10 TCVN 62241996 7.57 20 7.6 pH 7.4 7.32 7.23 7.26 15 7.2 9.2 10 6.1 3.9 2.2 2.9 80 100 6.8 6.6 20 40 60 Hàm lượng phèn (mg/L) Hình Hàm lượng phèn tối ưu 3.2 Ảnh hưởng độ pH đầu vào đến trình keo tụ tạo bơng Độ pH nước đầu vào trước keo tụ có ảnh hưởng đáng kể đến độ đục độ pH nước sau keo tụ Hình Độ đục sau xử lý đạt giá trị thấp tương ứng với pH đầu vào có giá trị xấp xỉ 7,0 Giá trị pH đầu vào đạt thông qua việc điều chỉnh Với mẫu nước sơng khơng qua cơng đoạn điều chỉnh axít có pH  7,6 đạt độ đục 1,3 NTU sau keo tụ Mặc dù giá trị độ đục đo lớn gấp 6,5 lần so với giá trị độ đục thấp thấp gần lần so với qui định quy chuẩn QCVN02:2009-BYT (5 NTU)11 Do mẫu nước sơng có pH  7,6 trực tiếp đưa vào công đoạn xử lý keo tụ tạo mà không cần qua bước điều chỉnh độ pH 10 7.16 6.14 7.26 8.07 7.63 6.62 Độ đục pH 2.1 1.2 1.3 1.5 1.7 pH sau keo tụ Bảng Phương pháp thiết bị phân tích tiêu Độ đục 7.51 Độ đục (NTU) Hàm lượng phèn ảnh hưởng lớn đến trình keo tụ tạo bơng, dẫn đến thay đổi mạnh độ đục (NTU) độ pH nước Hình Liều lượng phèn thay đổi khoảng giá trị từ mg/L đến 100 mg/L Tại hàm lượng phèn 80 mg/L, độ đục nước sau keo tụ tạo đo đạt giá trị nhỏ 2,2 NTU, tương ứng với giá trị pH 7,26 Do hàm lượng phèn 80 mg/L chọn để thực công đoạn keo tụ tạo bơng thí nghiệm 7.6 25 Độ đục (NTU) 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng phèn đến q trình keo tụ tạo bơng 7.8 27.7 pH Kết nghiên cứu 49 0.2 11 Clorua 12 Florua 13 Asen mg/L TCVN 61941996 mg/L TCVN 61951996 mg/L TCVN 6626:2000 0 6.5 7.5 Mẫu (7,6) 8.5 pH trước keo tụ Hình Ảnh hưởng pH trước keo tụ đến độ đục pH sau keo tụ (hàm lượng phèn 80 mg/L) 50 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 3.3 Ảnh hưởng thời gian xử lý đến nồng độ ozone 0.5 Nồng độ ozone (mg/L) Ozone 0.4 0.3 0.25 0.2 0.2 0.15 0.1 0.1 7.6 pH Nồng độ ozone hòa tan nước đo phương pháp so màu với kit Hanna Mẫu nước lấy sau kết thúc thời gian xử lý Nồng độ ozone hòa tan nước phụ thuộc mạnh vào thời gian xử lý mô hình (Hình 4) Lượng ozone hịa tan nước đạt cao (0,25 mg/L) ứng với thời gian xử lý phút tương ứng với số lần toàn thể tích mẫu nước thí nghiệm luân chuyển qua buồng plasma Khi thời gian xử lý tăng lên hàm lượng ozone nước có xu hướng giảm Kết tương tự trình bày nghiên cứu trước 12 Do mốc thời gian phút chọn làm thông số thời gian xử lý nước mơ hình 7.8 Khơng keo tụ Keo tụ 7.57 7.54 7.4 7.16 7.2 7.12 Đầu vào Sau xử lý Mẫu nước Hình Biến động pH nước Hình trình bày ảnh hưởng phóng điện vầng quang đến độ đục nước sau xử lý Nhờ vào trình keo tụ mà độ đục nước giảm rõ rệt từ 36 NTU xuống 0,6 NTU Đối với trường hợp không keo tụ, sau xử lý độ đục nước giảm gần lần từ 36 NTU xuống 13,1 NTU Ngược lại độ đục nước sau xử lý lại tăng khoảng lần từ 0,6 NTU lên NTU trường hợp nước qua keo tụ Như có độ đục nước sau xử lý với đầu vào keo tụ đạt qui chuẩn QCVN02:2009/BYT Sự gia tăng độ đục sau xử lý giải thích oxy hóa ion sắt (II) hịa tan nước thành hydroxyt sắt (III) không tan 0 15 45 Thời gian xử lý (phút) 40 Hình Ảnh hưởng thời gian xử lý đến nồng độ ozone Sự tác động phóng điện vầng quang đến độ pH nước sau xử lý cho Hình Từ hình ta thấy độ pH nước qua keo tụ nhỏ 5,6% so với nước không keo tụ Độ pH nước sau xử lý giảm không đáng kể (0,4% trường hợp nước không xử lý keo tụ 0,6% nước xử lý keo tụ) đạt quy chuẩn QCVN 02:2009/BYT (pH = 6,0 ÷ 8,5) Sự suy giảm độ pH giải thích hình thành chất như: H+, HNO3,H2O2 O2-13, 14 Không keo tụ Keo tụ 30 Độ đục (NTU) 3.4 Ảnh hưởng cơng nghệ phóng điện vầng quang đến tiêu nước sau xử lý 36 20 13.1 10 0.6 Đầu vào Sau xử lý Mẫu nước Hình Biến động độ đục nước Nồng độ NO2-trong nước sau xử lý giảm Hình Đối với trường hợp không keo tụ nồng độ nitrit giảm 34,8% từ 0,23 mg/L xuống 0,15 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 mg/L Tương tự, nồng độ nitrit giảm 36% từ 0,25 mg/L xuống 0,16 mg/L trường hợp keo tụ 0.30 Không keo tụ Keo tụ 0.25 Nồng độ nitrit (mg/L) 0.25 0.23 0.20 0.15 0.16 0.15 0.10 0.05 0.00 Đầu vào Sau xử lý Mẫu nước 51 từ 1.100 (MPN/100 ml) xuống 75 (MPN/100 ml) Như mẫu nước đầu vào không qua keo tụ, tiêu coliforms nước sau xử lý không đạt QCVN02:2009/BYT Tuy nhiên mẫu nước đầu vào qua keo tụ, tiêu coliforms sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN02:2009/BYT Rõ ràng, cơng đoạn keo tụ đóng vai trị quan trọng giai đoạn tiền xử lý Cơng đoạn nàydiệt khoảng 90% coliforms đầu vào Trong 10% coliform cịn lại, cơng đoạn phóng điện vầng quang diệt 93,2% Tổng cộng tồn qui trình xử lý diệt 99,32% coliforms (giảm từ 11.000 (MPN/100 ml) xuống 75 (MPN/100 ml)) Hình Biến động nồng độ nitrit nước Không keo tụ 4.0 Keo tụ Nồng độ nitrat (mg/L) 3.66 3.5 3.6 3.33 3.0 2.86 2.5 2.0 Đầu vào Sau xử lý Mẫu nước Hình Biến động nồng độ nitrat nước 12000 Tổng coliform (MPN/100 mL) Như hàm lượng nitrit nước sau xử lý hai trường hợp đạt yêu cầu theo QCVN01:2009/BYT (giới hạn tối đa: mg/L) 15 Sự suy giảm nồng độ nitrit sau xử lý giải thích oxy hóa nitrit thành nitrat tác động ozone hòa tan nước Hình trình bày thay đổi nồng độ NO3-trong nước sau xử lý Sau xử lý nồng độ nitrat tăng đáng kể Đối với trường hợp không keo tụ, nồng độ nitrat tăng từ 2,86 mg/L lên 3,66 mg/L (tăng 28%) Xu hướng tương tự xảy trường hợp nước qua xử lý keo tụ yếu hơn, nồng độ nitrat sau xử lý tăng 10% từ 3,33 mg/L lên 3,66 mg/L Hàm lượng nitrat nước sau xử lý hai trường hợp đạt theo qui chuẩn QCVN01:2009/BYT (giới hạn tối đa: 50 mg/L) Sự gia tăng hàm lượng nitrat nước q trình phóng điện vầng quang khơng khí tạo nên oxít nitơ NOx (NO, NO2) Khi NOx kết hợp với nước/hơi nước tạo thành axít nitric Ngồi gia tăng hàm lượng nitrat cịn lượng nitrit amoni bị oxy hóa thành Kết thí nghiệm cho thấy qui trình xử lý diệt coliforms hiệu (Hình 9) Tổng coliforms giảm mạnh sau xử lý Đối với trường hợp nước không keo tụ, sau xử lý tổng coliforms giảm 90% từ 11.000 (MPN/100 ml) xuống 1.100 (MPN/100 ml) Đối với nước qua keo tụ, tổng coliforms nước sau xử lý giảm 93,2% 11000 Không keo tụ Keo tụ 10000 8000 6000 4000 2000 1100 1100 75 Đầu vào Sau xử lý Mẫu nước Hình Biến động tổng coliforms 52 N.V Dũng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số (2018) 47-53 Bàn luận Sự kết hợp phương pháp keo tụ tạo cơng nghệ phóng điện vầng quang cho thấy có hiệu cao việc xử lý nước cấp sinh hoạt từ nước sông Các tiêu nước sau xử lý với qui trình cơng nghệ đạt theoqui chuẩn QCVN02:2009/BYT trình bày Bảng Từ Bảng 2, ta thấy tiêu coliforms đạt giới hạn tối đa cho phép II Để tăng cường khả xử lý coliforms, tăng thời gian xử lý Khi tăng thời gian xử lý dẫn đến làm tăng nồng độ nitrit nitrat Tổng công suất hoạt động mơ hình 90 W (plasma: 50 W; bơm nước: 40 W) Khả xử lý nước mơ hình 1,33 L/P tương đương với cơng suất 80 L/h Do đó, suất tiêu tốn lượng điện mơ hình 1,125 kWh/m3 nước xử lý Hàm lượng nitrit nitrat giảm cách sử dụng phương pháp trao đổi ion Thí nghiệm sử dụng cột trao đổi ion tích 1000 mL chứa 600 mL hạt INDION-GS 3000 Lưu lượng nước qua cột với lưu lượng nước xử lý mơ hình (1,33 L/P) Kết thí nghiệm cho thấy nồng độ nitrit giảm từ 0,16 mg/L xuống 0,007 mg/L nồng độ nitrat giảm khoảng 96% từ 3,6 mg/L xuống 0,144 mg/L Kết luận Mơ hình thí nghiệm xử lý nước cơng nghệ phóng điện vầng quang kết hợp với cơng đoạn tiền xử lý keo tụ tạo bơng có hiệu cao việc xử lý tiêu chất lượng nước như: Màu sắc, độ đục, amoni, sắt, tiêu pecmanganat tổng coliforms Tuy nhiên công nghệ không tác động đến tiêu độ cứng hàm lượng Clorua Cơng nghệ phóng điện vầng quang cho thấy tiềm ứng dụng mơ hình xử lý nước cấp sinh hoạt có cơng suất nhỏ phục vụ hộ gia đình nơng thơn Tuy nhiên, nhược điểm lớn công nghệ làm tăng đáng kể hàm lượng nitrat nằm giới hạn cho phép Bảng Kết tiêu nước thô nước sau xử lý Chỉ tiêu Nước thô Nước sau keo tụ xử lý plasma Màu sắc (TCU) 136