Khảo sát xử lý nước ngầm bằng công nghệ plasma lạnh lê hoàng việt,nguyễn võ châu ngân,đặng huỳnh giao,nguyễn văn dũng,tạp chí khoa học đại học thủ dầu một, số 3(34) 2017,tr 45 54

Lê Hoàng Việt Khảo sát xử lý nước ngầm KHẢO SÁT XỬ LÝ NƯỚC NGẦM BẰNG CÔNG NGHỆ PLASMA LẠNH Lê Hoàng Việt(1), Nguyễn Võ Châu Ngân(1), Đặng Huỳnh Giao(1), Nguyễn Văn Dũng(1) (1) Trường Đại học Cần Thơ Ngày nhận 10/12/2016; Ngày gửi phản biện: 20/1/2017; Chấp nhận đăng: 6/4/2017 Email: nvcngan@ctu.edu.vn Tóm tắt Nghiên cứu tiến hành nhằm khảo sát khả áp dụng công nghệ plasma lạnh để xử lý nước ngầm bị ô nhiễm sắt, arsen E coli Các thí nghiệm tiến hành mơ hình cột plasma quy mơ phịng thí nghiệm với nguồn nước ngầm gây ô nhiễm nhân tạo Kết thí nghiệm cho thấy tải nạp thời gian trữ nước sau xử lý ảnh hưởng đến hiệu xử lý hệ thống Cột plasma nên thiết kế với lưu lượng tối thiểu L/phút để cung cấp đủ chiều dày lớp nước giúp tăng điện trường khe hở điện cực làm tăng công suất độ ổn định plasma Hiệu suất xử lý sắt, arsen E Coli nước ngầm hệ thống plasma L/phút cao, đạt giá trị 99%, 99,4%, 93,8%, không khác biệt đáng kể thời gian trữ nước 10 phút, 20 phút, 30 phút Nước sau xử lý nên tiếp tục cho lưu bồn chứa khoảng 20 phút để ozone gốc HO● tiếp tục phản ứng với chất ô nhiễm nhằm đạt hiệu xử lý cao nước sau xử lý khơng cịn dư lượng ozone Từ khóa: arsen, cơng nghệ plasma, E Coli, nước đất, sắt Abstract SURVEY AND TREATMENT GROUNDWATER BY PLASMA TECHNOLOGY The study aim to evaluate the groundwater treatment efficiency on iron, arsenic, E Coli applying plasma technology The plasma system was design to operate in lab scale conditions with artificial groundwater The results showed that the flow rate of plasma column and the storing time of treated water will be effects to the treatment efficiency of the system The plasma column should design with the flow rate of L/minutes to fulfill the water layer that increasing the electric field between the electrodes slot, and accumulate the electric power and plasma power The treatment efficiencies of iron, arsenic and E Coli at the L/minutes plasma system very high with numbers of 99%, 99.4%, 93.8%, but there is not significant different between treatment with storing time of 10 minutes, 20 minutes, and 30 minutes The water after treated should be store in at least 20 minutes so that ozone and HO● continue react to contaminant matters, the treatment efficiency will be better and limited residue from ozone Giới thiệu Theo Tổng Cục Môi trường (2010), nước đất số vùng Việt Nam đối mặt với vấn đề xâm nhập mặn diện rộng, ô nhiễm vi sinh ô nhiễm kim loại nặng nghiêm trọng khai thác khơng có qui hoạch khơng có biện pháp bảo vệ nguồn nước Cũng 45 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(34)-2017 theo Tổng Cục Môi trường (2014), nước đất số tỉnh thuộc đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) bị ô nhiễm NO3-, NH4+, kim loại nặng (Fe, As) đặc biệt ô nhiễm vi sinh (Coliform, E Coli) Trong khoảng 13,5% dân số Việt Nam (10 - 15 triệu người) sử dụng nước sinh hoạt từ giếng khoan Nhiều giếng khoan Đồng Tháp An Giang số vùng khác phát arsen nước (Nguyễn Việt Kỳ, 2009) Người bị nhiễm arsen có biểu thay đổi màu da, hình thành vết cứng da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận bàng quang dẫn tới hoại tử Trên giới có số nghiên cứu xử lý arsen nước ngầm áp dụng Các giải pháp xử lý kể đến đơng tụ kết hợp lọc, khử than hoạt tính, khử vơi sống, hay dùng phương pháp thẩm thấu ngược Trong điều kiện Việt Nam, số giải pháp xử lý nghiên cứu triển khai hệ thống lọc có giàn phun mưa với sản phẩm bán thị trường ArsenFREE (T.H., 2010) Theo Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, việc sử dụng phương pháp ôxy hóa thơng thường ánh sáng mặt trời loại trừ tạp chất, đặc biệt arsen khỏi nước ngầm (Bùi Mạnh Hà, 2006) Các gia đình sử dụng nước giếng khoan nên xử lý phương pháp sục khí, giàn mưa, bồn lắng, lọc… vừa để khử sắt, vừa loại bỏ arsen nước Xử lý nước plasma lạnh công nghệ tương đối mới, phương pháp sử dụng tượng điện phân nước hiệu điện cao tạo nên gốc hóa học có tính ơ-xy hóa mạnh, ơ-xy hóa kim loại nặng chuyển chúng từ dạng khử sang dạng ơ-xy hóa kết tủa, sau chất kết tủa lắng lọc để đưa khỏi nước Các chất ơ-xy hóa mạnh tia UV (tạo từ hồ quang điện) tiêu diệt vi sinh vật Nghiên cứu tiến hành nhằm khảo sát khả xử lý thành phần ô nhiễm nước ngầm thiết bị plasma lạnh qui mơ phịng thí nghiệm, tìm thông số vận hành cần thiết tải nạp nước, thời gian trữ nước hợp lý phục vụ cho việc chế tạo thiết bị ứng dụng vào thực tế Phương pháp nghiên cứu 2.1 Chế tạo thiết bị Mơ hình hệ thống xử lý nước ngầm plasma lạnh thiết kế chế tạo theo kiểu bể phản ứng có dịng chảy liên tục từ xuống tạo thành màng nước bề mặt điện cực tạo plasma Diện tích bề mặt điện cực nơi nước chảy qua 51,81 cm2 Nguyên tắc hoạt động hệ thống: - Đầu tiên nước cần xử lý cho vào bình chứa 1, sau bơm vào buồng tạo plasma (sử dụng bơm điều chỉnh lưu lượng), buồng plasma cấp khí thêm bơm cấp khí Sau nước xử lý plasma chảy vào bình chứa 2, từ bình chứa nước bơm qua lọc cotton µm cột lọc than hoạt tính - Điện áp đầu vào ảnh hưởng đến điện áp đầu nguồn từ ảnh hưởng đến q trình tạo plasma buồng plasma Mức độ ảnh hưởng điện áp đầu vào đến điện áp đầu nguồn đo đạc trình bày Hình Khi bơm nước qua buồng plasma mức L/phút lưu lượng thấp nên lớp nước chảy bề mặt điện cực không ổn định Khi lưu lượng nước tăng lên L/phút, quan sát thấy lớp nước chảy ổn định plasma xuất tồn thể tích khe hở điện cực Điều tăng chiều dày lớp nước nên làm giảm khe hở điện cực, điện trường khe hở điện cực tăng làm tăng công suất độ ổn định plasma 46 Lê Hoàng Việt Khảo sát xử lý nước ngầm 10 11 Hình Sơ đồ hệ thống xử lý nước ngầm plasma lạnh Hình Cấu tạo buồng plasma (1) bình chứa nước cần xử lý, (2) bình chứa nước sau xử lý, (3) van nước, (4) máy bơm nước, (5) bơm cấp khí cho buồng plasma, (6) máy biến áp, (7) lưu lượng kế, (8) tủ điện, (9) nguồn cao áp, (10) buồng tạo plasma, (11) lọc 25 Điện áp đầu (kV) 20 15 10 0 50 100 150 200 250 Điện áp đầu vào (V) Hình Ảnh hưởng điện áp đầu vào đến điện áp đầu nguồn 47 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(34)-2017 Bảng Tải nạp nước cho hệ thống plasma theo lưu lượng Lưu lượng (m3/phút) Diện tích điện cực (m2) 0,001 0,002 0,005181 0,005181 Tải nạp nước -2 m ×m ×phút 0,19 0,39 -1 m3×m-2×giờ-1 11,58 23,16 m3×m-2×ngày-1 277,94 555,88 2.2 Bố trí thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu trình bày Hình Các thí nghiệm nhằm tìm mốc lưu lượng thời gian lưu nước bình chứa nước đầu phù hợp để vận hành hệ thống Mơ hình bể xử lý vận hành theo kiểu bể phản ứng liên tục với chế độ dòng chảy từ xuống tạo thành màng nước xung quanh hệ điện cực tạo plasma Nước ô nhiễm nhân tạo sử dụng để tiến hành thí nghiệm Nước sau qua cột plasma lưu lại bình chứa thời gian để phản ứng tiếp tục xảy ra; sau nước bơm qua cột lọc cotton để lấy mẫu phân tích Thí nghiệm 1: xác định lưu lượng nước xử lý phù hợp với hệ thống - Tiến hành nước ô nhiễm nhân tạo - Thay đổi lưu lượng bơm nước với cấp độ: L/phút L/phút - Các thơng số phân tích: pH, độ đục, EC, As, Fe, nitrát, E Coli Lưu lượng vận hành hệ thống Thí nghiệm 2: xác định thời gian lưu nước bình chứa sau xử lý - Tiến hành nước ô nhiễm nhân tạo - Thay đổi thời gian lưu nước cấp độ: 10 phút, 20 phút, 30 phút - Các thơng số phân tích: pH, độ đục, EC, As, Fe, nitrát, ozone, E Coli Thời gian lưu nước hệ thống Lưu lượng thời gian lưu nước phù hợp để vận hành hệ thống Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm định hướng 2.3 Vận hành mơ hình phân tích mẫu Trong thí nghiệm mẫu nước giếng thu thập pha trộn thêm với hóa chất để gây nhiễm nhân tạo cho nguồn nước thí nghiệm Các hóa chất mua cửa hàng hóa chất gồm có: (1) Phèn sắt FeSO4.7H2O, xuất xứ Trung Quốc, độ tinh khiết 99%; (2) Phèn sắt FeCl3.6H2O, xuất xứ Trung Quốc, độ tinh khiết 99%; (3) Acide asenic (H3AsO4), xuất xứ Trung Quốc Trước sau vận hành hệ thống xử lý plasma, mẫu nước thu thập phân tích Phịng thí nghiệm (PTN) Khoa Mơi trường Tài nguyên Thiên nhiên (đối với thông số pH, EC, độ đục, Fe, ozone, ni-trát), Trung tâm Kỹ thuật Tiêu 48 Lê Hoàng Việt Khảo sát xử lý nước ngầm chuẩn Đo lường Chất lượng Cần Thơ - CATECH (thông số E Coli) Trung tâm Dịch vụ Phân tích thí nghiệm TP HCM - CASE (thơng số As) Bảng Phương pháp phân tích thông số ô nhiễm Thông số pH Độ đục Fe As Ni-trát E.Coli Phương pháp phân tích TCVN 6492:1999 TCVN 6184:1996 TCVN 6177:1996 TCVN 6626:2000 TCVN 6180:1996 TCVN 6187-1:1996 Kết thảo luận 3.1 Thí nghiệm xác định lưu lượng nước xử lý phù hợp với hệ thống Thí nghiệm tiến hành với mẫu nước cho nhiễm chất ô nhiễm khác nhau, sau tiến hành xử lý cấp lưu lượng từ L/phút L/phút Nước sau xử lý trữ bình chứa nước đầu 10 phút, sau bơm qua cột lọc đem phân tích Lý trữ nước lại bình chứa sau qua buồng plasma, nước chứa nhiều ozone hòa tan cần phải có thêm thời gian để phản ứng ơ-xy hóa sắt tạo kết tủa hồn tồn Bảng Nồng độ thông số ô nhiễm theo lưu lượng bơm qua buồng plasma Chỉ tiêu Đơn vị Trước xử lý Sau xử lý L/phút L/phút pH 6,5 6,5 6,5 EC µs/cm 810 820 820 Độ đục NTU 14,1 2,82 3,03 Ni-trát mg/L 8,8 6,8 12,17 Fe mg/L 3,91 0,10 0,06 Arsen mg/L 0,03 0,01 0,02 E Coli MPN/100 mL 900