Nghiên cứu xử lý asenic trong nước ngầm bằng quá trình keo tụ tạo bông kết hợp với lọc màng MF (0 1um)

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MINH TUẤN NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ASENIC TRONG NƢỚC NGẦM BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ TẠO BƠNG KẾT HỢP VỚI LỌC MÀNG MF (0,1µm) Chun ngành : Công nghệ môi trƣờng LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƢỚC Cán chấm nhận xét 1:… …………………………… Cán chấm nhận xét 2:….……………………… Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …tháng… năm… TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày 20 tháng 07 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN MINH TUẤN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/ 03/ 1984 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƢỜNG MSHV: 02507628 I- TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ASENIC TRONG NƢỚC NGẦM BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ TẠO BƠNG KẾT HỢP VỚI LỌC MÀNG MF(0,1µm) II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Nhiệm vụ: Nghiên cứu khả xử lý Asenic nƣớc ngầm thơng qua q trình keo tụ tạo bơng lọc màng MF (0,1µm) - Nội dung: + Nghiên cứu khả oxy hóa As(III) thành As(V) q trình oxy hóa giàn mƣa + Nghiên cứu khả xử lý Asenic trình keo tụ tạo bơng lọc màng MF (0,1µm) thơng qua việc thay đổi nồng độ Asenic nƣớc ngầm + Đề xuất công nghệ phù hợp xử lý Asenic nƣớc ngầm III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực LV ghi Quyết định giao đề tài): 13 / 01 / 2009 IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07 / 07/ 2009 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên) PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƢỚC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cƣơng luận văn thạc sĩ đƣợc Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày TRƢỞNG PHÒNG ĐT-SĐH tháng năm TRƢỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CÁM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận đƣợc nhiều giúp đỡ từ gia đình, thầy cô bạn bè Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến ba mẹ, anh chị động viên, hỗ trợ tạo điều kiện cho tơi suốt q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến tồn thể q thầy khoa Môi Trƣờng trƣờng Đại học Bách Khoa Tp HCM truyền đạt kiến thức cho năm học tập trƣờng Đặc biệt Thầy Nguyễn Văn Phƣớc hƣớng dẫn, bảo tận tình suốt thời gian thực luận văn Cám ơn quý thầy cô quan tâm dành thời gian nhận lời phản biện khoa học cho đề tài Cám ơn bạn khóa K2007 giúp đỡ tơi suốt q trình học tập hồn thành luận án tốt nghiệp Tp Hồ Chí Minh, 07/ 2009 Nguyễn Minh Tuấn TĨM TẮT Ơ nhiễm Asenic nƣớc ngầm thực trạng diễn nhiều nơi giới có Việt Nam, đặc biệt tỉnh phía Bắc, đồng sơng Hồng đồng sơng Cửu Long Điều gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe ngƣời dân chất lƣợng sống Vì vậy, việc nghiên cứu biện pháp xử lý Asenic nƣớc ngầm cần thiết Hiện giới Việt Nam có nhiều phƣơng pháp khác đƣợc sử dụng để loại bỏ Asenic nƣớc ngầm Trong đề tài nghiên cứu này, tơi sử dụng mơ hình giàn mƣa kết hợp với keo tụ tạo lọc màng MF(0,1µm) cơng nghệ kết hợp q trình oxy hóa As(III) thành As(V), loại bỏ As q trình keo tụ tạo bơng, sau nƣớc đƣợc qua q trình lọc màng MF(0,1µm) để xử lý tiếp tục As lại nƣớc đến tiêu chuẩn Các kết nghiên cứu mơ hình pilot cho thấy mơ hình oxy hóa giàn mƣa kết hợp với keo tụ tạo lọc màng cho hiệu xứ lý Asenic nƣớc ngầm cao Các q trình oxy hóa As(III) thành As(V), nhƣ loại bỏ nồng độ As nƣớc ngầm q trình keo tụ tạo bơng lọc màng có hiệu tốt Nƣớc sau q trình lọc màng MF có chất lƣợng tƣơng đối ổn định nồng độ Asenic đạt tiêu chuẩn cho phép (≤10ppb) Với chất lƣợng nƣớc đầu nhƣ vậy, nƣớc ngầm nhiễm Asenic sau đƣợc xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép, đảm bảo sử dụng cho nhu cầu sinh hoạt ngƣời dân nhu cầu khác DANH MỤC CÁC HÌNH Nội dung Hình Trang 1.1 Các trình cấp độ phân riêng màng 20 1.2 Cơ chế lọc màng 20 1.3 Các dạng màng 21 1.4 Màng vòng xoắn 22 1.5 Bẩn màng hạt keo 26 1.6 Bẩn màng vi sinh khoáng chất 26 2.1 Thành phần mơ hình 35 2.2 Mơ hình giàn mƣa 36 2.3 Quạt thổi khí 37 2.4 Bản vẽ kích thƣớc lắp đặt quạt thổi khí 38 2.5 Máy bơm IDBZ - 35 39 2.6 Thiết bị Jartest 39 2.7 Mơ hình lọc màng MF 40 3.1 Đồ thị ảnh hƣởng cƣờng độ tƣới lên q trình oxy hóa As(III) thành As(V) 43 3.2 Đồ thị ảnh hƣởng pH lên q trình oxy hóa As(III) thành As(V) 3.3 Đồ thị ảnh hƣởng pH lên trình keo tụ tạo 3.4 Đồ thị ảnh hƣởng phèn sắt lên q trình keo tụ tạo bơng 53 3.5 Đồ thị xác định thời gian tối ƣu cho trình keo tụ tạo 55 3.6 Đồ thị so sánh hiệu xử lý phèn sắt phèn nhôm 57 3.7 Đồ thị ảnh hƣởng Polymer lên hiệu xử lý 60 3.8 Đồ thị xử lý As q trình keo tụ tạo bơng 63 3.9 Đồ thị ảnh hƣởng pH lên trình loại bỏ As màng MF 66 3.10 Đồ thị thay đổi áp suất lọc theo thời gian 69 3.11 Công nghệ xử lý Asenic 70 46 49-50 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Nội Dung Trang 1.1 Lƣợng As thành phần đất 1.2 Hàm lƣợng As phân bố tự nhiên 1.3 As có nguồn gốc nhân tạo 1.4 Ô nhiễm As nƣớc số khu vực giới 1.5 Arsenic nƣớc ngầm Hà Nội số tỉnh phía Bắc 1.6 Các sản phẩm hấp phụ As 16 1.7 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến trình màng 25 1.8 Các muối hòa tan yếu khả hòa tan chúng nƣớc 28 2.1 Thông số kĩ thuật quạt thổi khí 38 2.2 Phƣơng pháp phân tích tiêu 41 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng cƣờng độ tƣới lên q trình oxy hóa As(III) thành As(V) Kết nghiên cứu ảnh hƣởng pH lên trình oxy hóa As(III) thành As(V) Kết nghiên cứu ảnh hƣởng pH lên q trình keo tụ tạo bơng Kết nghiên cứu ảnh hƣởng phèn sắt lên trình keo tụ tạo bơng Kết nghiên cứu xác định thời gian tối ƣu cho trình keo tụ tạo 43 45 49 52 55 3.6 Kết nghiên cứu so sánh hiệu xử lý phèn sắt phèn nhôm 57 3.7 Kết nghiên cứu ảnh hƣởng Polymer lên hiệu xử lý 60 3.8 Kết xử lý As trình keo tụ tạo 63 3.9 Kết ảnh hƣởng pH lên trình loại bỏ As màng MF 66 3.10 Thay đổi áp suất lọc theo thời gian 68 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ĐBSCL Đồng sông Cửu Long WHO World Health Organization – Tổ chức y tế giới BYT Bộ Y Tế MF Microfiltration – Vi lọc UF Ultrafiltration – Siêu lọc NF Nanofiltration – Lọc nano RO Reversed Osmosics – Thẩm thấu ngƣợc As Asenic - Asen UNICEF United Nations Children's Fund – Quỹ Nhi Đồng Liên Hiệp Quốc TDS Total Dissolved Solid - Tổng chất rắn hòa tan USEPA US Environmental Protection Agency – Cục bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ SDI Silk Density Index – Chỉ số mật độ FI Fouling Index – Chỉ số cáu cặn UV Ultra Violet Qp Lƣu lƣợng dòng thấm Qf Lƣu lƣợng dòng vào Qc Lƣu lƣợng dòng đậm đặc Rc Tỉ lệ tái sinh nƣớc PVDF Polyvinylidene Fluoride AAS TCVN Atomic Absorption Spectrophotometric – Máy quang phổ hấp thu nguyên tử Tiêu chuẩn Việt Nam Đề Tài Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xử Lý Asenic Trong Nước Ngầm Bằng Quá Trình Keo Tụ Tạo Bơng Kết Hợp Với Lọc Màng MF (0,1µm) MỤC LỤC MỞ ĐẦU 03 ĐẶT VẤN ĐỀ 03 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 04 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 04 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 04 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 05 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 06 1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC 06 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ ASENIC 13 1.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC MÀNG 18 1.4 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 29 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 33 2.1.1 Đề xuất công nghệ xử lý Asenic nƣớc ngầm 33 2.1.2 Đánh giá, nghiên cứu khả xử lý Asenic nƣớc ngầm 33 2.2 MÔ TẢ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.2.1 Giai đoạn 1: Oxy hóa giàn mƣa 33 2.2.2 Giai đoạn 2: Keo tụ tạo 34 2.2.3 Giai đoạn 3: Lọc màng MF (0,1µm) 34 2.3 MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU 35 2.3.1 Thành phần mơ hình 35 2.3.2 Nguyên tắc hoạt động mơ hình 35 2.3.3 Nguyên vật liệu 36 2.3.4 Điều kiện vận hành 39 2.4 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 40 2.4.1 Phƣơng pháp phân tích tiêu 40 2.4.2 Phƣơng pháp hồi cứu 41 2.4.3 Phƣơng pháp nghiên cứu mơ hình 41 2.4.4 Phƣơng pháp xử lý số liệu 41 GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Phƣớc HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH HHHHHHHHHH -1- HVTH: Nguyễn Minh Tuấn - 02507628 Đề Tài Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xử Lý Asenic Trong Nước Ngầm Bằng Quá Trình Keo Tụ Tạo Bơng Kết Hợp Với Lọc Màng MF (0,1µm) CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 42 A KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 42 3.1 Giai đoạn 1: Oxy hóa As(III) thành As(V) thí nghiệm giàn mƣa 42 3.1.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng cƣờng độ tƣới lên trình oxi hóa As(III) thành As(V) thí nghiệm giàn mƣa 42 3.1.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng pH lên q trình oxy hóa As(III) thành As(V) thí nghiệm giàn mƣa 45 3.2 Giai đoạn 2: Xử lý As q trình keo tụ tạo bơng phèn FeCl3 48 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng pH lên q trình keo tụ tạo bơng 48 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng phèn sắt lên q trình keo tụ tạo bơng 51 3.2.3 Xác định thời gian tối ƣu cho trình keo tụ tạo bơng 54 3.2.4 So sánh hiệu xử lý phèn sắt phèn nhôm 56 3.2.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng Polymer lên hiệu xử lý 59 3.2.6 Hiệu xử lý As q trình keo tụ tạo bơng 62 3.3 Giai đoạn 3: Xử lý tiếp As công nghệ màng MF 65 3.3.1 Nghiên cứu ảnh hƣởng pH lên trình loại bỏ As màng MF 65 3.3.2 Thay đổi áp suất lọc theo thời gian trình lọc màng 68 B ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ 70 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 4.1 KẾT LUẬN 72 4.2 KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Phƣớc HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH HHHHHHHHHH -2- HVTH: Nguyễn Minh Tuấn - 02507628 Đề Tài Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xử Lý Asenic Trong Nước Ngầm Bằng Q Trình Keo Tụ Tạo Bơng Kết Hợp Với Lọc Màng MF (0,1µm) 3.3.1.4 Kết - Đồ thị Sau phân tích nồng độ As tổng lại ta thu đƣợc kết nhƣ sau: Bảng 3.9: Kết ảnh hưởng pH lên trình loại bỏ As màng MF pH 11 H(%) As(III) 53 55 59 85 90 H(%) As(V) 88 95 96 98 98 Từ kết ta biểu diễn đồ thị: Hình 3.9: Đồ thị ảnh hưởng pH lên trình loại bỏ As màng MF 3.3.1.5 Nhận xét: Đồ thị rằng, hiệu loại bỏ As(V) cao As(III) giá trị pH khác đƣợc nghiên cứu thí nghiệm Nguyên nhân hầu hết As(V) tồn dƣới dạng ion nhƣ: anion hóa trị (HAsO42-) anion hóa trị (H2AsO4-) Hai loại anion đƣợc ƣu tiên loại bỏ trình lọc màng Tuy nhiên, GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Phƣớc HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH HHHHHHHHHH - 66 - HVTH: Nguyễn Minh Tuấn - 02507628 Đề Tài Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xử Lý Asenic Trong Nước Ngầm Bằng Q Trình Keo Tụ Tạo Bơng Kết Hợp Với Lọc Màng MF (0,1µm) hiệu loại bỏ As(V) giảm pH = trình màng, điều liên quan đến việc thay đổi As(V) từ HAsO42- thành H2AsO4- Trong đó, việc loại bỏ As(III) phụ thuộc vào thay đổi H3AsO3 nƣớc As(III) tồn trung hòa dung dịch H3AsO3 giá trị pH từ đến 9,2 Trên 9,2 bị ion hóa thành anion hóa trị H 2AsO3- Trên đồ thị ta thấy hiệu loại bỏ As(III) thay đổi không đáng kể pH tứ 3, 5, bắt đầu tăng dần pH tăng từ 9,2 lên 11 Nhƣ vậy, việc loại bỏ As(V) q trình lọc màng bị ảnh hƣởng vào pH dung dịch nƣớc gần nhƣ độc lập với pH nguồn nƣớc ngoại trừ pH = Trong đó, việc loại bỏ As(III) bị ảnh hƣởng lớn vào thay đổi pH nguồn nƣớc Đó nguyên nhân ta cần sử dụng q trình giàn mƣa để oxy hóa As(III) thành As(V) vào trình xử lý loại bỏ As GVHD: PGS TS Nguyễn Văn Phƣớc HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH HHHHHHHHHH - 67 - HVTH: Nguyễn Minh Tuấn - 02507628 Đề Tài Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xử Lý Asenic Trong Nước Ngầm Bằng Quá Trình Keo Tụ Tạo Bơng Kết Hợp Với Lọc Màng MF (0,1µm) 3.3.2 Thay đổi áp suất lọc theo thời gian trình lọc màng 3.3.2.1 Mục đích Q trình lọc màng lâu cặn bẩn (trong có As) bám lên bề mặt màng nhiều Chính cặn bẩn tham gia vào trình cản trở các cặn bẩn khác qua màng làm cho hiệu xử lý tốt Tuy nhiên lớp cặn bẩn bám nhiều gây trở lực lớn bề mặt màng làm cho tỉ lệ dòng nƣớc qua màng giảm Để đảm bảo tỉ lệ nƣớc qua màng ổn định áp suất màng phải tăng lên để thắng đƣợc trở lực cặn bẩn gây Đến áp suất màng tăng đến mức tối đa cho phép trình lọc màng dừng lại để thay màng hay rửa màng để tái sử dụng Dựa vào ta xác định đƣợc thời gian lọc chu kì lọc màng 3.3.2.2 Hóa chất - Thiết bị - Thiết bị lọc màng MF - Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS: Hiệu PG Instruments – Anh, model PG-990F - Erlen 50ml: - Pipet 10ml: 3.3.2.3 Tiến hành thí nghiệm Phần nƣớc lắng tĩnh (lớp nƣớc bên trên) sau qua q trình keo tu tạo bơng đƣợc cho vào q trình màng mà ta khơng cần phải điều chỉnh pH Bật bơm để bắt đầu tiến hành trình lọc nƣớc qua màng Theo dõi áp suất lọc qua màng đồng hồ đo áp suất theo thời gian Khi áp suất đạt mức tối đa cho phép ta dừng lại xác định thời gian lọc màng Bên cạnh ta lấy nƣớc sau qua màng phân tích nồng độ As tổng cịn lại nƣớc 3.3.2.4 Kết - Đồ thị Sau phân tích nồng độ As tổng cịn lại ta thu đƣợc kết nhƣ sau: Bảng 3.10: Thay đổi áp suất lọc theo thời gian Tỉ lệ nƣớc (%) 92 [As]đr (ppb)