Luận văn thạc sĩ Hóa học, Hóa môi trường, Ô nhiễm nước

Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THƢỢNG HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÍ NƢỚC NGẦM Ô NHIỄM ĐỒNG THỜI SẮT, MANGAN, AMONI VÀ ASEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THƯỢNG HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÍ NƢỚC NGẦM Ô NHIỄM ĐỒNG THỜI SẮT, MANGAN, AMONI VÀ ASEN Chuyên ngành: HĨA MƠI TRƯỜNG Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán hướng dẫn: PGS TS CAO THẾ HÀ HÀ NỘI - 2013 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu, tơi nhận giúp đỡ động viên thầy cô giáo, anh chị em, bạn bè, gia đình Tơi xin chân thành cám ơn thầy cô giáo, Anh chị em làm việc trung tâm CETASD, thầy cô cán khoa Sau Đại học trường Đại học Quốc gia Hà Nội, bạn lớp cao học K20 – Hóa học giúp đỡ tơi hoàn thành đề tài nghiên cứu Đặc biệt xin trân trọng cám ơn thầy giáo PGS TS Cao Thế Hà hướng dẫn tận tình, tỉ mỉ có nhiều góp ý q báu cho tơi suốt trình nghiên cứu đề tài Do thời gian nghiên cứu trình độ chun mơn cịn nhiều hạn chế nên đề tài tránh khỏi thiếu sót Tơi mong muốn nhận ý kiến đóng góp để đề tài nghiên cứu hồn thiện Xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Học viên Phạm Thượng Hải Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Lời nói đầu Chƣơng I Tổng quan 1.1 Đặc điểm chung nƣớc ngầm ô nhiễm nƣớc ngầm 1.2 Sắt, Mangan, asen amoni nƣớc ngầm 1.2.1 Sắt nước ngầm 1.2.2 Mangan nước ngầm 1.2.3 Asen nước ngầm 1.3 Xử lí Fe nƣớc ngầm 10 1.3.1 Nguyên tắc xử lí sắt 10 1.3.2 Cân sắt nước 10 1.3.3 Các phương pháp xử lí sắt 11 1.3.3.1 Xử lí sắt oxi khơng khí 11 1.3.3.2 Xử lí sắt chất oxi hóa mạnh 12 1.3.3.3 Một số phƣơng pháp xử lí khác 13 1.3.4 Động học oxi hóa Fe2+ oxi khơng khí 13 1.4 Xử lí mangan nƣớc ngầm 17 1.4.1 Cơ sở lí thuyết q trình xử lí mangan 17 1.4.2 Xử lí mangan phƣơng pháp hóa học 19 1.4.3 Xử lí mangan phƣơng pháp kiềm hóa 19 1.5 Xử lí asen nƣớc ngầm 20 1.5.1 Oxi hoá As(III) 21 1.5.2 Kĩ thuật đồng kết tủa/keo tụ 24 1.5.3 Kĩ thuật hấp phụ 25 1.5.4 Phƣơng pháp trao đổi ion 26 1.6 Xử lí amoni nƣớc ngầm 26 1.6.1 Các phương pháp hoá-lý 26 1.6.2 Các phương pháp vi sinh 27 1.6.3 Cơ sở khoa học phƣơng pháp xử lí sinh học 28 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Chƣơng II Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu 31 2.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt động hệ Pilot 31 2.1.1 Sơ đồ công nghệ 31 2.1.2 Thuyết minh công nghệ 33 2.2 Nội dung nghiên cứu 41 2.2.1 Khảo sát yếu tố DO, pH, độ kiềm giai đoạn xử lí 41 2.2.2 Khảo sát biến thiên nồng độ Fe, Mn As thay đổi lưu lượng nước đầu vào 41 2.2.3 Đánh giá khả xử lí N-amơni 41 2.3 Hóa chất phục vụ cơng tác nghiên cứu 42 2.4 Quy trình thực nghiệm 44 2.4.1 Các vị trí lấy mẫu thơng số đo đạc phân tích 44 2.4.2 Phân tích số liệu 44 2.4.3 Phƣơng pháp đánh giá số liệu 44 2.5 Các phƣơng pháp phân tích 45 Chƣơng III Kết thảo luận 54 3.1 Quá trình khảo sát yếu tố DO, pH, độ kiềm giai đoạn xử lí 54 3.1.1 Khảo sát biến thiên nồng độ DO thay đổi lưu lượng nước đầu vào 54 3.1.2 Khảo sát biến thiên pH thay đổi lưu lượng nước đầu vào 56 3.1.3 Khảo sát độ kiềm 58 3.2 Khảo sát biến thiên nồng độ Fe 59 3.2.1 Khảo sát biến thiên nồng độ sắt lưu lượng Q = 0,5 m3/h 59 3.2.1.1 Chế độ oxi hóa oxi khơng khí 59 3.2.1.2 Khảo sát chế độ bổ sung chất oxi hóa 61 3.2.2 Khảo sát biến thiên nồng độ sắt lưu lượng Q = 1m 3/h 65 3.2.2.1 Chế độ oxi hóa oxi khơng khí 65 3.2.2.2 Chế độ bổ sung chất oxi hóa 67 3.3 Biến thiên nồng độ As 71 3.3.1 Khảo sát As lưu lượng đầu vào 0,5 m3/h 71 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp 3.3.1.1 Khảo sát oxi hóa oxi khơng khí 71 3.3.1.2 Khảo sát bổ sung chất oxi hóa 73 3.3.2 Khảo sát Asen lưu lượng đầu vào m3/h 73 3.3.2.1 Chất ơxi hóa oxi khơng khí: 73 3.3.2.2 Bổ sung chất oxi hóa 74 3.4 Biến thiên nồng độ Mn 75 3.4.1 Chế độ oxi hóa oxi khơng khí 75 3.4.2 Chế độ bổ sung chất ơxi hóa 75 3.5 Hiệu xử lí amoni 77 3.5.1 Giai đoạn khởi động hệ nitrat hóa khử hóa với lưu lượng 0,5m3/h 77 3.5.2 Diễn biến thành phần N chế độ Q = 1m3/h 84 3.5.3 Tổng hợp số liệu xử lý amoni hệ lọc sinh học hai cấp 89 Kết luận 96 Tài liệu tham khảo 98 Phụ lục 102 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Danh Mục Bảng Bảng 2.1 Tính tốn pha Mn 42 Bảng 2.2 - Tính tốn pha As 42 Bảng 2.3 Tính toán pha amoni 43 Bảng 2.4 Tính tốn pha Clo – javen chế độ 0,5 m3/h 43 Bảng 2.5 – Tính tốn pha Clo – javen chế độ m3/h 43 Bảng 2.6 – Tính tốn pha KMnO4 43 Bảng 3.1 – Số liệu DO Q = 0,5 m3/h 55 Bảng 3.2 - Số liệu DO Q = 1m3/h 56 Bảng 3.3 - Số liệu pH - vị trí khảo sát Q = 0,5 m3/h 56 Bảng 3.4 - Số liệu pH - vị trí khảo sát Q = 1m3/h 57 Bảng 3.5 Số liệu độ kiềm 58 Bảng 3.6- Bảng nồng độ sắt tổng vị trí khơng bổ sung chất oxi hóa lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 59 Bảng 3.7- Bảng nồng độ sắt (II) vị trí khơng bổ sung chất oxi hóa lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 60 Bảng 3.8- Bảng nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung chất oxi hóa javen (2mg Clo/lít) lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 62 Bảng 3.9 - Bảng nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung chất oxi hóa javen (4mg Clo/lít) lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 63 Bảng 3.10 - Bảng nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung chất oxi hóa javen (8mg Clo/lít) lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 64 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp nồng độ sắt tổng trung bình 64 Bảng 3.12 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, khơng bổ sung chất oxi hóa, Q = 1m3/h 66 Bảng 3.13 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung 6mg Clo/l, Q = 1m3/h 67 Bảng 3.14 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung 8mg Clo/l, Q = 1m3/h 68 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Bảng 3.15 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung 5mg KMnO4/l, Q = 1m3/h 69 Bảng 3.16 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung 23,8mg KMnO4/l, Q = 1m3/h 70 Bảng 3.17 - Nồng độ As (µg/L) vị trí khơng bổ sung chất oxi hóa lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 71 Bảng 3.18 Nồng độ As (g/L) dọc hệ thống (Q = 0,5 m3/h, khơng khí) 72 Bảng 3.19 Nồng độ As (g/L) dọc hệ thống (Q = 0,5 m3/h, [Cl hđ] = mg/L) 73 Bảng 3.20 Nồng độ As (g/L) dọc hệ thống (Q = m3/h, khơng khí) 73 Bảng 3.21 Giá trị As (mg/L) dọc hệ thống (Q = m3/h, [KMnO4] = 23,8 mg/L) 74 Bảng 3.22 Giá trị Mn dọc hệ thống (Q = m3/h, khơng khí) 75 Bảng 3.23 Giá trị Mn dọc hệ thống (Q = m3/h, [Cl hđ] = mg/L) 75 Bảng 3.24 Giá trị Mn (mg/L) dọc hệ thống (Q = m3/h, [Cl hđ] = mg/L) 76 Bảng 3.25 Giá trị Mn (mg/L) dọc hệ thống (Q = m3/h, [KmnO4]= 23,8 mg/L) 76 Bảng 3.26 Diễn biến hệ khử dừng cấp lại hữu 80 Bảng 3.27 Diễn biến hệ khử nitrat sau sục khí rửa lọc 82 Bảng 3.28 Các thơng số bồn nitrat hóa 89 Bảng 3.29 Tổng hợp thông số hệ xử lý amoni nước ngầm qui mơ pilot 90 Bảng 3.30 Tính tải suất xử lí N-amơni N-nitrat tải lượng khác 91 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Danh mục hình Hình 1.1- Sự phụ thuộc dạng sắt vào pH oxi hoá khử nước 11 Hình 1.2 - Ảnh hưởng pH đến tốc độ ơxy hố Fe(II) 12 Hình 2.1 - Sơ đồ khối hệ xử lý nước cấp quy mô pilot 31 Hình 2.2 Mặt cắt đứng hệ pilot 32 Hình 2.3 - Bơm cấp 33 Hình 2.4 - injector 33 Hình 2.5 - Bể phản ứng 34 Hình 2.6 - Bể lắng lắng lamen 34 Hình 3.1- DO – vị trí Q = 0,5 m3/h 55 Hình 3.2 - DO – vị trí Q = m3/h 56 Hình 3.3 - pH – vị trí Q = 0,5 m3/h 57 Hình 3.4- pH – vị trí Q = m3/h 58 Hình 3.5 - Nồng độ sắt tổng – vị trí Q = 0,5m3/h, khơng bổ sung hóa chất 60 Hình 3.6 - Nồng độ sắt (II) – vị trí Q = 0,5m3/h, khơng bổ sung hóa chất 61 Hình 3.7- Sắt tổng – sắt (II) theo vị trí 61 Hình 3.8 - Nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung 62 Hình 3.9 - Nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung chất oxi hóa javen (4mg Clo/lít) lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 63 Hình 3.10- Nồng độ trung bình sắt tổng sắt (II) vị trí bổ sung chất oxi hóa javen (8mg Clo/lít) lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 64 Hình 3.11- Tổng hợp nồng độ sắt tổng trung bình – vị trí Q = 0,5 m3/h 65 Hình 3.12 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, khơng bổ sung chất oxi hóa, Q = 1m3/h 66 Hình 3.13- Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 6mg Clo/l, Q = 1m3/h 68 Hình 3.14 - Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 8mg Clo/l, Q = 1m3/h 69 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Hình 3.15- Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 5mg KMnO4/l, Q = 1m3/h 70 Hình 3.16- Giá trị trung bình lượng sắt tổng, sắt II vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 23,8mg KMnO4/l, Q = 1m3/h 71 Hình 3.17- Nồng độ As (µg/L) vị trí khơng bổ sung chất oxi hóa lưu lượng đầu vào 0,5m3/h 72 Hình 3.18 - Sự thay đổi nồng độ thành phần N vô nước công đoạn xử lý hệ xử lý đa thí nghiệm với nồng độ amoni đầu vào ~6 mg N/L 78 Hình 3.19 Diễn biến thành phần nitơ giai đoạn khởi động bể nitrat hóa hệ pilot 79 Hình 3.20 Diễn biến hệ khử nitrat dừng cấp lại hữu 80 Hình 3.21 Đồ thị diễn biến DO bề mặt bể khử theo thời gian sục khí 81 Hình 3.22 Đồ thị diễn biến DO bề mặt nước sau dừng sục khí 82 Hình 3.23 Đồ thị diễn biến bể khử nitrta sau sục khí rửa lọc 83 Hình 3.24 Diễn biến thành phần N chế độ 0,5 m3/h, nồng độ amoni 12 mgN/L 84 Hình 3.25 Diễn biến thành phần N chế độ m3/h, nồng độ amoni 12 mgN/L 85 Hình 3.26 Diễn biến thành phần N chế độ m3/h, nồng độ amoni ~15 mgN/L 86 Hình 3.27 Diễn biến thành phần N chế độ m3/h, nồng độ amoni ~20 mgN/L 86 Hình 3.28 Diễn biến thành phần N chế độ m3/h, nồng độ amoni ~20 mgN/L có bổ sung C 87 Hình 3.29 Tổng hợp diễn biến thành phần nitơ qua chế độ thí nghiệm 89 Hình 3.30 Quan hệ Năng suất xử lí – Tải amơni đầu vào 92 Hình 3.31 Quan hệ Năng suất xử lí – Tải nitrat đầu vào 93 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Bể khử nitrrat sử dụng vật liệu keramzit có chiều dày 1,55 m Các vi khuẩn trôi sang bể khử nitrat từ bể nitrat hóa bị giữ tích lũy lại vật liệu xốp theo thời gian trì điều kiện thiếu khí chúng có khả khử nitrat thể kết nồng độ nitrat sau bể khử giảm so với nồng độ đầu vào bể Kết hình nêu cho thấy sau ngày bổ sung cồn vào bể khử, nồng độ nitrat giảm từ giá trị 13,6 mg/l xuống cịn 7,6 mg/l trì mức thấp ngày sau Nồng độ nitrrat trung bình thu sau 40 ngày có giá trị trung bình mgNNO3-/L thấp nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Bộ Y tế (50 mg NO3-/L tương đương 11,3 mg N-NO3-/L) Nồng độ amoni sau bể khử nitrat có giá trị trung bình 2,3 mgN-amôni/L xấp xỉ tiêu chuẩn cua Bộ Y tế amoni nước ăn uống Điều dự đoán khả xử lý tối đa hệ xử lý pilot đa mức 20 mg NNH4+/L, tương đương với 25,7 mg NH4+/L Theo kết nghiên cứu khảo sát thực tế Trung tâm CTEASD thấy nồng độ amoni cao giêng khoan Hà Nội thường thấp so với giá trị Do đó, hệ thơng pilot hồn tồn có khả áp dụng cho xử lý nước nhiễm amoni nước ngầm Hà Nội Hiệu suất nitrat hóa trung bình 92 %, hiệu suất khử nitrat 60 % với bổ sung nguồn cacbon nhằm tăng cường cho trình khử nitrat 88 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp 3.5.3 Tổng hợp số liệu xử lý amoni hệ lọc sinh học hai cấp Kết nghiên cứu tập hợp dạng đồ thị Hình 3.29 N-NH4+ vào (mg/L) NH4_QCVN 01/2009/BYT 24,0 Khởi động, N-NH4+ (mg/L) NO3_QCVN 01/2009/BYT 12 mg NH4/l, 3 0,5 m /h 0,5 m /h 12 mg NH4/l, m3/h N-NO3- (mg/L) N-NO3- vào bể khử (mg/L) 15 mg NH4/l, 20 mg NH4/l, m3/h m3/h 20 mg NH4/l, bs cacbon, m3/h Nồng độ (mgN/l) 20,0 16,0 12,0 8,0 4,0 13/12/11 13/11/11 14/10/11 14/09/11 15/08/11 16/07/11 16/06/11 17/05/11 17/04/11 18/03/11 0,0 Hình 3.29 Tổng hợp diễn biến thành phần nitơ qua chế độ thí nghiệm Đồ thị Hình 3.29 tổng hợp tồn giá trị hợp chất nitơ vô (trừ nitrit nhỏ) chế độ khảo sát Đường kẻ ngang liền nét bên đường nét đứt bên thể tiêu chuẩn cho phép amoni nitrat nước ăn ng theo QCVN 01/2009/BYT tương ứng Nhìn chung nồng độ amoni sau xử lý nằm ngưỡng tiêu chuẩn cho phép Đối với chế độ cuối thí nghiệm chế độ m3/h, nồng độ amoni vào 20 mgN/l có nồng độ amoni sau xử lý tiến gần đến tiêu chuẩn cho phép Điều chứng nỏ lực xử lý hệ pilot đa có trang bị giai đoạn nitrat hóa - khử nitrat hóa có khả xử lý tối đa với nồng độ amoni đầu vào 20 mg/l Nồng độ nitrat sau xử lý chế độ thấp tiêu chuẩn cho phép Riêng chế độ thứ 5, nồng độ nitrat sau xử lý có giá trị cao (trung bình 13,5 mgN/l) cao tiêu chuẩn cho phép (11,3 mgN/l) Do đó, để đảm bảo giảm nồng độ nitrat xuống tiêu chuẩn cho phép cần bổ sung nguồn cacbon (ở sử dụng dung dịch pha từ cồn 96%) với nồng độ tính theo COD 62 89 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp mg/L cho giai đoạn khử Nitrit sau xử lý có nồng độ nhỏ, từ giới hạn phát đến giá trị cao 0,2 mg N/L thấp so với tiêu chuẩn cho phép Bộ Y tế (0,913 mg N-NO2-/L) Khi tính tốn cân vật chất lượng amoni, nitrat nitrit trước sau xử lý, nhận thấy tổng lượng amoni, nitrat nitrat sau giai đoạn nitrat hóa ln thấp so với lượng amoni đưa vào từ 14 -20 % (giai đoạn khởi động) Điều dự đốn giải thích rằng: q trình khử nitrat hóa có khả xảy đồng thời bể nitra hóa ví sinh bám dính sâu bên vật liệu PU keramzit xốp, nơi mà oxi thâm nhập đến sinh điều kiện thiếu khí (khơng có oxi) thuận lợi cho q trình khử phần nitrat sinh phía bên ngồi vật liệu Các thơng số bồn nitrat hóa nêu bảng Bảng 3.28 Các thông số bồn nitrat hóa Thơng số Ký hiệu Bể nitrat hóa Đơn vị 600 x 600 mm mm Kích thước (dài x rộng) D, R = Chiều dày bể a= Chiều cao bể HB = 2400 mm Thiết diện bể S= 0,36 m2 Thể tích lớp vật liệu xốp PU VK = 0,17 m3 Thể tích nước bể Vw = 0,756 m3 Các thông số modul khử nitrat khác Vw = 0,477 m3 VVL = 0,558 m3 Các thông số thu sau chế độ thí nghiệm dùng để tính tốn thơng số: Tải amôni đầu vào, Tải amôni đầu ra, Năng suất xử lý amoni, Hiệu suất q trình oxi hóa amoni, Hiệu suất khử nitrat trình bày bảng 90 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Bảng 3.29 Tổng hợp thông số hệ xử lý amoni nƣớc ngầm qui mô pilot Hiệu NH4 Chế độ + vào TB + NH4 suất oxi TB hóa (mgN/L) (mgN/L) NH4+ TB (%) Khởi động, 0,5 m3/h N-NO3- N-NO3- Hiệu vào bể bể suất khử khử khử NO3- (mg/L) (mg/L) TB (%) 6,71 0,27 96 5,9 5,09 14 Vào 12 mgNH4+/l, 0,5 m3/h 11,35 0,45 96 9,6 7,26 25 Vào 12 mgNH4+/l, m3/h 11,64 0,85 93 9,6 6,73 30 Vào 15 mgNH4+/l, m3/h 14,30 1,21 92 12,0 9,20 24 Vào 20 mgNH4+/l, m3/h 19,20 2,12 89 16,8 12,20 27 19,50 2,41 88 15,1 6,10 60 Vào 20 mgNH4+/l, m3/h, bổ sung C Nhìn chung tồn chế độ khảo sát hiệu suất oxi hóa amoni bể nitrat hóa đạt từ 91 - 98% nồng độ amoni đầu vào Tương ứng với nồng độ amoni trung bình sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép đối vơi nước ăn uống Bộ Y tế (2,33 mgN NH4+/l) Đôi với nước đâu vào có nồng độ amoni 20 mgN/l kết amoni sau xử lý gần xấp xỉ tiêu chuẩn amoni Nồng độ nồng độ cao mà hệ pilot xử lý đạt tiêu chuẩn nước ăn uống Hiệu suất khử nitrat tính từ nồng độ nitrat trước sau bể khử nitrat cho giá trị từ 14 đến cao 60% chế độ m3/h, amoni đầu vào 20 mgN/L có bổ sung nguồn cacbon (etanol) với tỉ lệ 0,93 L cồn 96% /24 m3 (tương ứng với nồng độ COD 62 mg/L) Việc bổ sung cồn vào giai đoạn khử nitrat cho phép nâng khả khử nitrat lên 33% so với trường hợp không bổ sung cho phép loại bỏ nitrat, nồng độ nitrat lối khoảng 4,7 mgN/l đạt tiêu chuẩn nước ăn uống Trong thực tế, mức xử lí cao nên giảm chi phí cồn Trong tồn chế độ thí nghiệm, nồng độ nitrit đo mức không phát đến giá trị cao 0,2 mgN/l thấp nhiều so với tiêu chuẩn QCVN 01/2009/BYT (0,913 mgN/l) 91 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Năng suất xử lý amoni tính = (giá trị chênh lệch nồng độ amoni trước sau xử lý) x (lưu lượng nước) / thể tích vật liệu xốp PU (hoặc thể tích nước bồn) trình bày bảng 3.30 bên Bảng 3.30 Tính tải suất xử lí N-amơni N-nitrat tải lƣợng khác T, h/ngày 24 V, H2O, m3 0,792 0,756 V, VLL, m3 0,17 0,558 0,5 0,5 1 Nồng độ N-amôni vào, g/m3 6,71 11,35 11,64 14,3 19,5 Nồng độ N-amôni ra, g/m3 0,27 0,45 0,85 1,21 2,12 Q, m3/h Tải N-amôni vào, g/m3 H2O/ngày 101,7 172,0 352,7 433,3 590,9 Tải N-amôni vào, g/m3 PU/ngày 473,6 801,2 1643,3 2018,8 2752,9 97,6 165,2 327,0 396,7 526,7 454,6 769,4 1523,3 1848,0 2453,6 5,9 9,6 9,6 12 16,8 Năng suất ơxi hóa amơni, g N/m3 H2O/ngày Năng suất ơxi hóa amơni, g N/m3 PU/ngày Nồng độ N-nitrat vào, g/m3 Tải N-nitrat vào, g/m3 H2O/ngày 93,7 152,4 304,8 381,0 533,3 Tải N-nitrat vào, g/m3 keramzit/ngày 126,9 206,5 412,9 516,1 722,6 12,9 37,1 91,1 88,9 146,0 17,4 50,3 123,4 120,4 197,8 Năng suất khử nitrat, g N/m3 H2O/ngày Năng suất khử nitrat, g N/m3 keramzit/ngày Các kết Bảng 3.30 cho thấy: Khi tăng lưu lượng từ 0,5 lên m3/h nồng độ N-amôni đầu vào từ 6,71 lên 19,5 mg N-amơni/L tải đầu vào modul nitrat hóa tăng từ 102 g/m3 nước/ngày (474 g/m3 PU/ngày) (làm tròn) lên tới 591 g/m3 nước/ngày (1753 g/m3 PU/ngày) (làm trịn) thì: 92 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Năng suất ơxi hóa-xử lý amoni thu qua chế độ có giá trị từ 0,098 kgN/ngày/m3 thể tích phản ứng (0,455 kgN/ngày/m3 vật liệu) đến cao 0,527 kgN/ngày/m3 thể tích phản ứng (2,454 kgN/ngày/m3 vật liệu) chế độ nồng độ amoni đầu vào 20 mgN/L Các giá trị suất xử lý amoni thu thí nghiệm cáo gấp 2-5 lần so với trường hợp sử dụng vật liệu keramzit Đề tài “Xử lý nước ngầm quy mô pilot nhà máy nước Pháp Vân” (HĐ 07-P2003/HĐSKHCNMT từ 2003 – 2005) Việc gắn vi sinh vật liệu xốp PU vận hành chế độ lớp đệm chuyển động (moving bed) hồn tồn áp dụng cho trình xử lý nước nhiễm amoni với ưu điểm giữ sinh khối mật độ cao, tăng cường suất xử lý so với vật liệu keramzit, sử dụng triệt để nguồn khí cung cấp, từ dẫn đến việc tiết kiệm lượng cho việc vận hành bơm Để thuận lợi cho tính tốn thiết kế đề xuất sử dụng thông số suất xử lí 0,5 kg N-amơni/ngày/m3 thể tích phản ứng để tính thể tích phản ứng cần có, thơng số tính theo vật liệu mang vi sinh sử dụng “dự trữ” suất xử lí Kết Bảng 3.30 thể dạng đồ thị quan hệ Tải đầu vàoNăng suất xử lí cho hai modul nitrat hóa khử nitrat Hình 3.30 3.31 Hình 3.30 Quan hệ Năng suất xử lí – Tải amôni đầu vào 93 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Hình 3.31 Quan hệ Năng suất xử lí – Tải nitrat đầu vào Các kết Hình 3.30 3.31 cho thấy, so với đường lí thuyết (vạch chéo) hiệu suất xử lý 100%, vùng tải lượng đầu vào khảo sát hệ nitrat hóa tải lượng thấp có hiệu suất xử lí tiệm cận tới 100% (96-92%) tải lượng tăng có xu giảm dần xuống 90% Hiện tượng khác so với hệ khử nitrat: hiệu suất khử nitrat thường thấp, 30%, sau tăng mạnh lên xấp xỉ 60% Điều giải thích chế độ thực nghiệm: lúc đầu hệ hoạt động không bổ sung nguồn cácbon Hiện tượng “tự xử lí” có nhiều ngun nhân: một lượng nhỏ cacbon tự nhiên có nước, hai nguồn cácbon sinh khối vi sinh tích tũy bể lọc keramzit, ba phản ứng annamox ghi nhận dự án Pháp Vân [7] Khác với hệ pilot Pháp Vân, đơn vị xử lí N thứ ba modul sục khí bổ sung Các kết từ [7] cho thấy, N-amơni tiếp tục ơxi hóa, COD đồng thời giảm tới giá trị COD sau lọc sắt, coi đơn vị xử lí mang tính bảo hiểm, tránh tượng dư thừa COD mùi vị hệ thiếu khí – nitrat tạo Cùng với đồ thị quan hệ suất xử lí-tải đầu vào, đồ thị hình cung cấp thông tin quan trọng cho phép thiết kế hệ xử lí N-amơni theo sơ đồ hệ thống pilot xử lí ba cấp trình bày 94 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Kết luận modul xử lí N-amôni Từ kết thu được, thu ác kết luân sau: Thời gian khởi động cần thiết 45 ngày đảm bảo cho trình nitrat hóa thực hệ xử lý vào hoạt động ổn định Thời gian khởi động cần thiết cho bể khử nitrat đến ổn định 60 ngày Có thể rút ngắn q trình bổ sung cacbon sớm Về chế độ sục khí, rủa ngược: Kể từ dừng sục khí cho nước từ bể nitrat hóa vào cần phải 2h30 phút bể khử nitrat trở lại trạng thái thiếu khí Sau ngừng cấp nguồn cacbon (etanol) khả khử nitrat xử lý N giảm sau tiếng Thời gian phục hồi sau cấp trở lại chất dinh dưỡng khoảng -6 Thí nghiệm cho quan sát tượng đầu vào bị ngừng giảm nguồn cacbon cho trình khử nitrat Quá trình sục khí khoảng 10 phút rửa 1,5 m3 nước hệ khử nitrat hóa cần khoảng h để phục hồi hoạt tính, xấp xỉ thời gian để phục hồi Thơng số thiết kế - tính thể tích bể nitrat hóa sử dụng 20%V vật liệu PU = 527 (g N/ngày/m3 thể tích phản ứng) Thơng số thiết kế - tính thể tích bể khử nitrat hóa sử dụng vật liệu keramzit = 146 (g N/ngày/m3 thể tích phản ứng) Kiểm tra lại theo suất tính theo m3 vật liệu keramzit = 198 (g N/ngày/m3 thể tích phản ứng) 95 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Kết luận Từ kết q trình thực nghiệm khảo sát, xử lí nước ngầm trung tâm CETASD với thiết bị xử lí thử nghiệm quy mô nhỏ khảo sát với nguồn nước ngầm có hàm lượng sắt tương đối cao ( trung bình 23mg/l) Đồng thời có bổ sung chất gây ô nhiễm: mangan, asen, amoni, bổ sung chất oxi hóa tăng cường javen, kalipemanganat, bước đầu thu kết sau: Khảo sát yếu tố nguồn nước ngầm: DO, pH, độ kiềm, hàm lượng chất nước ngầm khu vực nghiên cứu ( hàm lượng sắt cao 22- 24mg/l) Bước đầu cho thấy nguồn nước có hàm lượng sắt cao, DO thấp tương đối ổn định, giá trị pH khoảng 6,5 -7 biến đổi q trình xử lí Với hàm lượng chất nhiễm mức cao pH thấp tốn khó cho q trình xử lí Q trình khảo sát chế độ lưu lượng 0,5m3/h 1m3/h cho thấy với hệ thống thiết kế có khả tách loại lượng sắt lớn Hiệu xử lí tốt hẳn có bổ sung chất oxi hóa Ở lưu lượng 1m3/h khảo sát với chất oxi hóa javen lượng clo hoạt động mg/l với KMnO4 5mg/l đem lại hiệu xử lí tốt xử lí đồng thời Fe, Mn As Q trình xử lí asen nồng độ cao với xử lí sắt nồng độ cao cho hiệu xử lí tốt Với nguồn nước có [Fe(II)] cao xử lí sắt đồng nghĩa với lọc As, nhiên tỷ lệ Fe/As, từ 100 trở xuống hiệu xử lí giảm Q trình loại bỏ mangan khó khăn q trình oxi hóa sắt asen ưu hơn, đồng thời có hấp phụ, dải hấp vật liệu lọc có nhiều điểm bất thường số liệu nghiên cứu - Ơxi khơng khí pH gần khơng ơxi hóa Mn(II) - Với việc bổ sung chất oxi hóa KMnO4 5mg/l cho hiệu loại bỏ tốt Q trình xử lí amoni: Sau xử lý nằm ngưỡng tiêu chuẩn cho phép Đối với chế độ cuối thí nghiệm chế độ m3/h, nồng độ amoni vào 20 mgN/l có nồng độ amoni sau xử lý tiến gần đến tiêu chuẩn cho phép Điều chứng nỏ 96 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp lực xử lý hệ pilot đa có trang bị giai đoạn nitrat hóa - khử nitrat hóa có khả xử lý tối đa với nồng độ amoni đầu vào 20 mg/l Về hiệu xử lí thiết bị: - Việc tính tốn thiết kế injector nhỏ gọn cung cấp đủ nhu cầu oxi cho trình oxi hóa chất Cơ cấu làm thống ngồi tăng DO phải tăng pH (TCXDVN) hai yếu tố khơng đạt phải sử dụng hóa chất - Bể phản ứng bể lắng có nhiều cải tiến để dễ dàng xả cặn, làm tăng khả lắng việc thêm lamen - Bể lọc cát có hiệu lọc tốt, dễ dàng rửa ngược Với thiết bị hợp khối thiết kế có ưu điểm tốn diện tích đặt thiết bị, thay đổi cho phù hợp với nguồn nước cần xử lí xử lí đa dạng chất gây nhiễm đặc biệt có ý nghĩa xử lí khu vực đơng dân cư, thiếu diện tích để xây dựng nhà máy xử lí nước theo kiểu truyền thống thiết kế hệ thống xử lí lưu động, dễ dàng lắp ráp vận hành 97 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng việt Nguyễn Văn Cát “Thử nghiệm xử lí As quy mơ hộ gia đình Hà Nam”, Viện KH&CN VN, Văn phịng Chương trình QG nước vệ sinh MT nông thôn, 2004-2005 Đặng Kim Chi Hóa học mơi trường tập I Nxb Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội 2001 Cao Thế Hà Báo cáo nghiên cứu xử lý Mn nước ngầm xúc tác đolomite Hà nội, 2000 Cao Thế Hà, Nguyễn Hoài Châu (2000), ”Cơng nghệ xử lí nước – ngun lý thực tiễn”, Nhà xuất Thanh niên Trần Tứ Hiếu, Lâm Ngọc Thiềm (1990), ” Phân tích định tính”, Nhà xuất Đại học giáo dục chuyên nghiệp T.Đ Khải Nghiên cứu công nghệ khử (xử lý) Mn nước ngầm Đề tài cấp Bộ XD, 1994 Nguyễn Văn Khôi, Cao Thế Hà cs Báo cáo Dự án sản xuất thử nghiệm “Xử lí amơni nước ngầm quy mô pilot nhà máy nước Pháp Vân 2003-2005”, Hà Nội 10/2005 Nguyễn Thị Thu Thủy (2000), ”Xử lí nước cấp sinh hoạt cơng nghiệp”, nhà xuất khoa học kĩ thuật Phạm Hùng Việt, Trần Hồng Côn, Nguyễn Thị Chuyền, Michael Berg, Walter Giger, Roland Shertenleib (2000), ” Bước đầu khảo sát nhằm đánh giá hàm lượng asen nước ngầm nước cấp khu vực Hà Nội”, hội thảo quốc tế - ô nhiễm As Tài liệu tiếng anh 10 Berg Michel, Arsenic Contamination of Groundwater and Drinking Water in the Red River Delta, Vietnam: Geochemical Investigations and Mitigation Measures, PhD Thesis Universitọt Karlsruhe, 2007 98 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp 11 Gujer W and Jenkins D (1974) The Contact Stabilization Process-Oxygen and Nitrogen Mass Balance Report No 74-2, Sanit Eng Res Lab Univ Calif., Berkrley 12 M Berg, H C Tran; T C Nguyen; H V Pham; R Schertenleib; W Giger (2001), “Arsenic contamination of groundwater and drinking water in Vietnam: A human health threat”, Environmental science and Technology, 35, pp 2621 2626 13 R.C Barry, J.L Schnoor, B Sulzberger, L Sigg and W Stumm Iron oxydation kinetic in an acidic alpine lake Wat Res Vol.28, No.2, pp.323-333, 1994 14 Randall et al Nitrification Kinetics in Single-Sludge Biological Nutrient Removal Activated Sludge Systems Water Sci Technol 1992, v.25, p.195 15 S Mettler In-situ removal of iron from ground water: Fe(II) oxygenation, and precipitation products in a calcareous aquifer (for the degree of doctor of natural sciences) Zurich, 2000 16 Stumm W and Lee G.F., Oxygenation of ferous ion Ind Eng Chem 53, 143 (1961) 17 Stumm W and Morgan J J Aquatic Chemistry John Wiley & Sons, Inc New York, 1996 18 Thomas L, Theis Complexation of iron(II) by organic matter and its effect on iron(III) oxygenation Env Sci Tech 8, 6, 1974 19 Thomas L, Theis Complexation of iron(II) by organic matter and its effect on iron(III) oxygenation Env Sci Tech 8, 6, 1974 20 Y Unholee, IK- Hwanum, and Jey Yong Yoon (2003) “Arsenic(III) Oxidation by Iron(VI) (Ferrate) and Subsequent Removal of Arsenic(V) by Iron(III) Coagulation”, Environ Sci Technol., 37, pp 57505756 21 Arsenic Mitigation Strategies, from “the Arsenic State Implementation Guidance” (EPA 816-K-02-018) at http://www.epa.gov/ogwdw/ ars/pdfs/regguide/ars_final_ ! mainguide_9-13.pdf) 22 Dinesh Mohan, Charles U Pittman Jr., Arsenic removal from water/wastewater using adsorbentsA critical review, J of Hazardous Materials 142 (2007) 1–53 99 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp 23 Arsenic Treatment Technology Evaluation Handbook for Small Systems, Office of Water (4606M), EPA 816-R-03-014, July 2003, www.epa.gov/safewater 24 Frank P., Clifford D (1986), “Arsenic(III) oxidation and removal from drinking water”, U.S Environmental Protection Agency, EPA-600-52-86/021, pp.286 25 Kim M J., Nriagu J (1999), “Oxidation of arsenite in groundwater using ozone and oxygen”, Sci Total Environ., 247, pp 7179 26 Maree T Emett and Ging H Khoe (2001), “Photochemical oxidation of arsenic by oxygen and iron in acidic solutions”, Wat Res., 35 (3), pp 649656 27 Maurizio Pettine, Luigi Campanella and Frank J Millero (1999), “Arsenite oxidation by H2O2 in aqueous solutions”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 63 (18), pp 27272735 28 Y Unholee, IK- Hwanum, and Jey Yong Yoon (2003) “Arsenic(III) Oxidation by Iron(VI) (Ferrate) and Subsequent Removal of Arsenic(V) by Iron(III) Coagulation”, Environ Sci Technol., 37, pp 57505756 29 Wolfgang Driehaus, Reiner Seith and Martin Jekel (1995), “Oxidation of arsenite with manganese oxides in water treatment”, Wat Res., 29 (1), pp 297305 30 Monique Bissen, Mogane Marrie, Vieillard Baron, Andreas J Schindelin, Fritz H Frimmel (2001), “TiO2-catalyzed photooxidation of Arsenite to Arsenate in aqueous samples”, Chemosphere, 44, pp 751717 31 P.M Jayaweera, P.I Godakumbura and K.A.S Pathiratne (2003), “Photocatalytic oxidation of As(III) to As(V) in aqueous solutions: A low cost pre-oxidative treatment for total removal of arsenic from water”, Current science, 84 (4), pp 541543 32 Jerome O Nriagu (1994), Arsenic in the Environment, part I: Cycling and characterization, John Wiley & Son 33 Jennifer A Wilkie, Janet G Hering (1996), “Adsorption of arsenic onto hydrous ferric oxide: effects of adsorbate/adsorbent ratios and co-occurring solutes”, 100 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 107, pp 97110 34 Paritam K Dutta, Ajay K Raya, Virender K Sharma, Frank J Millero (2004) “Adsorption of arsenate and arsenite on titanium dioxide suspensions”, Journal of Colloid and Interface Science, 278, pp 270275 35 Xiaoguang Meng, George P Korfiatis, Sunbaek Bang, Ki Woong Bang (2002), “Combined effects of anions on arsenic removal by iron hydroxides”, Toxicology Letters, 133, pp 103111 36 Sabine Goldberg (2002), “Competitive Adsorption of Arsenate and Arsenite on Oxides and Clay Minerals”, Soil Sci Soc Am J , 66, pp 413421 37 Suvasis Dixit and Janet G Hering (2003), “Comparison of Arsenic(V) and Arsenic(III) Sorption onto Iron Oxide Minerals: Implications for Arsenic Mobility”, Environ Sci Technol., 37, pp 41824189 38 Brian P Jacksona and W.P Miller (2000), “Effectiveness of Phosphate and Hydroxide for Desorption of Arsenic and Selenium Species from Iron Oxides”, Soil Science Society of America Journal, 64, pp 16161622 39 Ilwon Ko, Ju-Yong Kim, Kyoung-Woong Kim (2004), “Arsenic speciation and sorption kinetics in the Ashematitehumic acid system” Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng Aspects, 234, pp 4350 40 Xiaoguang Meng, Sunbaek Bang and George P Korfiatis (2000), “Effects of silicate, sulfate and carbonate on arsenic removal by ferric chloride”, Wat Res., 34 (4), pp 12551261 41 C.A Waltham and M.J Eick (2000), “Kinetics of Arsenic Adsorption on Goethite in the Presence of Sorbed Silicic Acid”, Soil Science Society of America Journal, 66, pp 818825 42 G Ghurye and D Clifford (2004) As(III) oxidation using chemical and solid – phase oxidants, J AWWA, 96:1, pp.84-96 101 Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Phụ lục Các quy định chất lƣợng nƣớc ngầm nƣớc cấp hành Việt Nam (mg/L) Chỉ tiêu Fe Mn N As Ghi TCVN 5944:1995 1–5 0,1 – 0,5 Nitrat: 45 0,05 nước ngầm, 22 tiêu QCVN 09:2009/BTNMT 0,5 N-amôni: 0,1 0,05 nước ngầm, 26 tiêu 0,01 nước cấp sinh hoạt, 34 N-nitrat: 15 N-nitrit: TCVN 5502:2003 Fe: 0,5 0,5 N-amôni: tiêu N-nitrat: 10 N-nitrit: QĐ 1329:2002/BYT 0,5 0,5 N-amôni: 1,5 0,01 nước ăn uống, chế biến nitrat: 50 thực phẩm; trạm lớn nitrit: (CS  500 người); 32 CNO3/CNO3,GHTĐ tiêu + CNO2/CNO2,GHTĐ < QĐ 09:2005/BYT 0,5 0,5 amôni: 0,05 nước (ko ăn uống nitrat: 50 trực tiếp), trạm nhỏ nitrit: (500 người) amôni: 1,5 (1,5) 0,01 nước ăn uống, 29 Phụ lục 6: số liệu nitrat: 50 (50) (0,0 tiêu ngoặc đơn trạm lẻ NT nitrit: (3) 1) amôni: 0,01 TCXDVN 33:2006 QCVN theo 01:2009/BYT 0,3 (0,5) Fe: 0,3 0,2 (0,5) 0,3 04:2009/TT-BYT (thay QĐ 1329/2002) nước ăn uống, chế biến nitrat: 50 thực phẩm, CS nitrit:  1000 m /ngày; 109 tiêu QCVN 02:2009/BYT Fe: 0,5 (0,5)* ? amôni: (3)* 0,01 nước sinh hoạt, ko sử nitrat: 50 (0,0 dụng ăn uống chế nitrit: 5)* biến thực phẩm, CS < 1000 m3/ngày; mức cho phép: (i) cho trạm cấp nước; (ii)* hộ gia đình, sở tư nhân; 14 tiêu 102 ... Hải Luận văn tốt nghiệp N-íc đầu vào a Châm hóa chất hỗn hợp Châm hóa chất Ôxy hóa 01 b Châm hóa chất cồn Đ-ờng n-íc §-êng khÝ d §-êng hãa chÊt 02 Bån : Đựng hóa chất Ôxy hóa f Bồn : Đựng hóa. .. mặt nước mưa? ?nước ngầm tồn cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay hàng trăm mét Đối với hệ thống cấp nước cộng đồng nguồn nước ngầm ln nguồn nước ưa thích Bởi vì, nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm. .. qua đường nước uống, khơng khí vùng ô nhiễm, nhiễm da tiếp xúc nhiều liên tục với nguồn nước, khơng khí nhiễm Vào thể người asen thường tích tụ não, mơ da, móng Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp