Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý asen cho nước sinh hoạt công suất 5m3 ngày sử dụng vật liệu bùn đỏ biến tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Quốc Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ ASEN CHO NƯỚC SINH HOẠT CÔNG SUẤT 5M /NGÀY SỬ DỤNG VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Quốc Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ ASEN CHO NƯỚC SINH HOẠT CÔNG SUẤT 5M /NGÀY SỬ DỤNG VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Thị Thúy PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Để hồn thiện nội dung luận văn thạc sĩ khoa học, ngồi nỗ lực khơng ngừng thân, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới quý thầy cô môn Công nghệ nói riêng tồn thể thầy Khoa Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung ln quan tâm tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức bổ ích vô quý báu cho suốt thời gian theo học trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc tới TS Phạm Thị Thúy PGS TS Nguyễn Mạnh Khải, người trực tiếp hướng dẫn, luôn sát sao, động viên, nhắc nhở kịp thời tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực nghiên cứu phục vụ cho luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn ThS Phạm Hồng Giang cán thuộc Phịng Thí nghiệm Bộ Mơn Công nghệ, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN hỗ trợ giúp đỡ tơi nhiệt tình q trình phân tích vận hành thiết bị thực nghiệm để tơi thuận lợi hoàn thành luận văn cá nhân Cuối cùng, tơi xin dành lời cảm ơn chân thành tới tồn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người quan tâm, giúp đỡ, động viên đồng thời chỗ dựa tinh thần vững giúp tơi hồn thành tốt nhiệm vụ giao suốt thời gian học tập trình nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ khoa học vừa qua TÁC GIẢ Nguyễn Quốc Hưng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan asen 1.1.1 Giới thiệu asen 1.1.2 Các dạng tồn chuyển hóa asen tự nhiên 1.1.3 Ảnh hưởng asen đến sức khỏe 1.2 Ô nhiễm asen Việt Nam giới 13 1.3 Các phương pháp xử lý asen nguồn nước cấp 18 1.3.1 Phương pháp oxi hóa 19 1.3.2 Phương pháp đông tụ/ đồng kết tủa kết hợp lắng 20 1.3.3 Phương pháp trao đổi ion 21 1.3.4 Công nghệ màng 22 1.3.5 Phương pháp sinh học 22 1.3.6 Xử lý asen phương pháp hấp phụ 22 1.4 Phương pháp hấp phụ 27 1.4.1 Nguyên lý chung phương pháp hấp phụ 27 1.4.2 Các mơ hình q trình hấp phụ 30 1.4.3 Động học hấp phụ thí nghiệm dịng chảy liên tục 30 1.5 Chất lượng nước trạng cấp nước làng Cự Đà, Hà Nội 36 1.6 Tổng quan bùn đỏ từ q trình sản xuất nhơm 39 1.6.1 Công nghệ thải bùn đỏ đặc tính bùn đỏ 39 1.6.2 Thành phần tính chất bùn đỏ 40 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .41 2.1 Đối tượng nghiên cứu 41 2.2 Nội dung nghiên cứu 41 2.2 Phương pháp nghiên cứu 41 2.2.1 Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp 41 2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ As 41 2.2.3 Khảo sát pH tối ưu cho trình hấp phụ As vật liệu thí nghiệm mẻ 44 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng kích thước vật liệu đến hiệu hấp phụ asen điều kiện hấp phụ động thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục .44 2.2.5 Chế tạo lắp đặt mơ hình pilot 46 2.2.6 Quy trình kế hoạch vận hành 52 2.2.7 Các phương pháp phân tích 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 3.1 Đặc điểm vật liệu 54 3.1.1 Đặc điểm bề mặt vật liệu 54 3.1.2 Cấu trúc pha vật liệu 55 3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen vật liệu 57 3.2.1 Ảnh hưởng kích thước vật liệu đến khả hấp phụ As điều kiện dòng chảy liên tục 58 3.3 Đánh giá khả xử lý As hai loại vật liệu hấp phụ với hệ lọc quy mô thực tế 5m /ngày.đêm 66 3.3.1 Hệ lọc quy mô 5m /ng.đ với vật liệu hấp phụ chế tạo từ quặng sắt oxit 66 3.3.2 Hệ lọc quy mô 5m /ng.đ với vật liệu hấp phụ chế tạo từ sắt (III) hydroxit 70 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 85 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Hàm lượng asen số khoáng vật .5 Bảng 1.2: Một số nghiên cứu vật liệu hấp phụ xử lý asen 24 Bảng 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối phương pháp hạn chế 32 Bảng 2.1: Bảng tỷ lệ phối trộn vật liệu (theo %) 42 Bảng 2.2: Bảng thống số kĩ thuật thiết bị hệ thống xử lý 51 Bảng 3.1: Các thơng số mơ hình Thomas Yoone – Nelson .64 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Con đường xâm nhập As vào thể người Hình 1.2: Nhiễm độc asen mãn tính 12 Hình 1.3: Khảo sát trạng người sử dụng số nguồn nước phơi nhiễm asen số quốc gia giới năm 2007 (x10 người) 13 Hình 1.4: Bản đồ dự báo vùng giới có nồng độ asen tổng nước ngầm cao Tiêu chuẩn Y tế Thế giới 14 Hình 1.5: Vị trí khu vực có nguy ô nhiễm asen nước ngầm số tỉnh thuộc Trung Quốc 15 Hình 1.6: Sự phân bố asen nước ngầm theo nồng độ khu vực Đồng Bằng Sơng Hồng 18 Hình 1.7: Mơ hình cột hấp phụ đơn giản 31 Hình 1.8: Đường cong thoát cột hấp phụ 32 Hình 1.9: Đồ thị phụ thuộc ln(Co/Ct – 1) vào thời gian theo mơ hình Thomas 34 Hình 1.10: Đồ thị phụ thuộc ln(Ce/(Co – Ce)) vào thời gian theo mơ hình Yoon-Nelson 36 Hình 1.11: Bản đồ địa xã Cự Đà 37 Hình 1.12: Vị trí trường mầm non Cự Khê 38 Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo vật liệu .43 Hình 2.2: Mơ hình thí nghiệm cột hấp phụ .45 Hình 2.3: Sơ đồ cơng nghệ tóm tắt hệ pilot xử lý asen 47 Hình 2.4: Hệ pilot xử lý As nước ngầm công suất 5m /ngày 50 Hình 3.1: Ảnh chụp SEM độ phóng đại 30.000 lần mẫu vật liệu hấp phụ sau biến tính 54 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu O550 55 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu H550 56 Hình 3.4: Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As vật liệu biến tính .57 Hình 3.5: Nồng độ As dung dịch sau cột hấp phụ chứa vật liệu O550 kích thước khác 59 Hình 3.6: Nồng độ As dung dịch sau cột hấp phụ chứa vật liệu H550 kích thước khác 60 Hình 3.7: Đồ thị phụ thuộc ln(C o/Ce – 1) vào t nồng độ As (V) sau hấp phụ vật liệu với kích cỡ khác theo Thomas 62 Hình 3.8: Đồ thị phụ thuộc ln(Ce/(Co-Ce)) vào t As (V) hấp phụ vật liệu theo mô hình Yoon – Nelson 63 Hình 3.9: Giá trị pH nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550L 66 Hình 3.10: Nồng độ Fe nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550-L 67 Hình 3.11: Nồng độ As nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550-L 68 Hình 3.12: Giá trị pH nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 70 Hình 3.13: Nồng độ Fe nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 71 Hình 3.14: Nồng độ As nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 73 O550 – L Từ viết tắt ATP BYT O550 – M O550 – S DMA PTN CETASD H550 H550 – L H550 – M H550 – S ICP-MS MMA KCN KLN O550 QCVN SEM DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Ý nghĩa Adenosine triphosphat Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước 3,75 – 4,75 mm Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước – mm Bộ Y tế Phương pháp Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ Axit dimetyl asonic Axit monometyl asonic Trung tâm Nghiên cứu công nghệ Môi trường Phát triển Bền vững Khu công nghiệp Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước – 9,5 mm Kim loại nặng Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước – 9,5 mm Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước 3,75 – 4,75 mm Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước – mm Phịng thí nghiệm Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) TCVN Tiêu Chuẩn Quốc gia (Việt Nam) TMA Axit trimetyl asonic UNICEF Quỹ Nhi đồng Liên Hợp Quốc WHO Tổ chức Y tế Thế Giới X – Ray Phổ nhiễu xạ tia X MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề môi trường trở thành vấn đề chung tất quốc gia giới, đặc biệt vấn đề nguồn nước - nhân tố thiết yếu sống Ô nhiễm nước đề tài nóng bỏng mối quan tâm hàng đầu tồn giới Những năm gần đây, ô nhiễm kim loại nặng, đặc biệt asen, có quan tâm nhiều nhà khoa học cộng đồng dân cư Trong tầng địa chất nước ngầm Việt Nam tồn sẵn lượng asen đáng kể, thay đổi đặc tính thuỷ địa hoá hoạt động nhân sinh người thúc đẩy q trình giải phóng asen vào nước ngầm Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp tăng nhanh hàm lượng kim loại nặng (KLN) nguồn nước thải, làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe người hệ sinh thái Việc loại bỏ kim loại nước trở thành vấn đề quan trọng để đảm bảo chất lượng nước Do đó, việc áp dụng phương pháp xử lý nhằm loại bỏ chúng khỏi môi trường cần thiết ngày quan tâm nhằm bảo vệ môi trường sinh thái sức khỏe cộng đồng Có nhiều phương pháp áp dụng nhằm loại bỏ ion KLN khỏi môi trường nước như: phương pháp kết tủa hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hóa… Trong đó, phương pháp hấp phụ sử dụng vật liệu có khả hấp phụ cao sử dụng rộng rãi Tiếp xúc lâu với asen thường mắc bệnh tim mạch cao huyết áp, mạch máu não Những biểu bên tổn thương da (biến đổi sắc tố da, sừng hố…) Vì cần phải tìm giải pháp nhằm loại bỏ asen khỏi nguồn nước ngầm để bảo vệ sức khỏe người dân Để khắc phục tình trạng nước bị ô nhiễm, giải pháp đề phải có hệ thống xử lý nước tập trung cho cụm dân cư, với đầy đủ giai đoạn xử lý sắt, asen, kim loại nặng, vi khuẩn tạp chất khác nhằm cung cấp đủ nước đạt tiêu chuẩn cho sản xuất sinh hoạt người dân 88 Phụ lục 4: Giá trị pH dung dịch sau hấp phụ thời điểm lấy mẫu thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục Mẫu O55 Phút 30 60 270 420 540 660 960 1200 (Chú giải kí hiệu: O550-L – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 8,0-9,5 mm; O550-M – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 3,75-4,75 mm; O550-S – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 1,0-2,0 mm; H550-L – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 8,0-9,5 mm; H550-M – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 3,75-4,75 mm; H550-S – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 1,0-2,0 mm) 89 Phụ lục 5: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu O550 Mẫu V STT 10 11 12 13 Phụ lục 6: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu H550 Mẫu STT V0 90 Phụ lục 7: Nồng độ Fe (mg/L) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ O550 Mẫu V0 STT 10 11 12 13 91 Phụ lục 8: Nồng độ Fe (mg/L) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ H550 Mẫu V STT Phụ lục 9: Nồng độ As (ppb) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ O550 Mẫu V0 STT 10 11 12 13 92 Phụ lục 10: Nồng độ As (ppb) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ H550 Mẫu V STT Phụ lục 11: Hình ảnh vật liệu hấp phụ H550 O550 93 Phụ lục 12: Hệ thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục 94 Phụ lục 13: Hình ảnh thực tế hệ pilot Trường mầm non xã Cự Khê (a) – bể sục bể lắng; b) lưu lượng kế; c) bể lọc; d) bể sục khí vận hành; e) thiết bị bên bể lắng) a) b) c) 95 d) e) 96 Phụ lục 14: Các vật liệu sử dụng cột lọc 97 ... hưởng tới khả hấp phụ asen vật liệu, … tiến hành thực đề tài: ‘? ?Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý asen cho nước sinh hoạt công suất 5m /ngày. đêm sử dụng vật liệu bùn đỏ biến tính? ?? Mục tiêu đề tài:... vật liệu hấp phụ xử lý asen 23 Bảng 1.2: Một số nghiên cứu vật liệu hấp phụ xử lý asen Vật liệu Bùn đỏ biến tính o 400– 500 C Bùn đỏ biến tính axit Bùn đỏ biến tính HCl 1M Laterite biến tính. .. HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Quốc Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ ASEN CHO NƯỚC SINH HOẠT CÔNG SUẤT 5M /NGÀY SỬ DỤNG VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH Chun ngành: Khoa học mơi trường Mã số: