2.9.1 Than hoạt tính
Cấu trúc của than hoạt tính
Than hoạt tính có cấu trúc phân tử than đƣợc kết hợp qua xử lý để tạo thành những vật liệu có cấu trúc đặc biệt, giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của than với các phân tử hóa chất trong nƣớc và hấp thụ một lƣợng lớn các tạp chất bẩn bên trong nguồn nƣớc ô nhiễm. Than hoạt tính có thể đƣợc cấu thành từ rất nhiều thành phần chứa carbon nhƣ bột than (dạng vô định hình), tinh thể than, tàn tro, vỏ dừa hay gỗ…
Than hoạt tính sử dụng trong lọc nƣớc thƣờng có 3 loại phổ biến
- Than hoạt tính dạng bột (Powdered Activated Carbon – PAC): Thƣờng đƣợc sử dụng để lọc mùi, lọc một số chất màu và cả chất béo hòa tan trong nƣớc. Tuy nhiên do tính chất dễ bị rửa trôi và không ổn định, nên than hoạt tính dạng bột chủ yếu đƣợc sử dụng dƣới dạng bổ trợ cho các hệ thống lọc nƣớc công nghiệp lớn.
- Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon – GAC): đƣợc cấu thành từ những hạt than nhỏ và bền hơn dạng bột, GAC đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống lọc nƣớc máy hay xử lý nƣớc gia đình. Than hoạt tính dạng bột có thể lọc mùi, xử lý nƣớc nhiễm bẩn… nhƣng hiệu quả lọc phụ thuộc khá nhiều vào tốc độ dòng nƣớc, nếu tốc độ dòng nƣớc quá lớn mà không có cách hãm thì hiệu quả sẽ không cao.
- Than hoạt tính dạng khối (Solid Block Activated Carbon – SBAC): Là cấu trúc than tốt nhất và lọc nƣớc hiệu quả nhất đang sử dụng rộng rãi hiện nay. Khi dòng nƣớc chảy qua khối than hoạt tính vững chắc, các tạp chất bẩn sẽ bị giữ lại và dòng nƣớc đi qua sạch sẽ, khối than hoạt tính cũng bảo đảm đƣợc sự rắn chắc, độ bền sử dụng cao và tăng hiệu suất của toàn bộ hệ thống lọc.
Cơ chế lọc nƣớc của than hoạt tính
- Lọc cơ học vật lý: Giúp loại bỏ các hạt, tạp chất bẩn trong nƣớc khi đi qua lõi lọc nhờ các lỗ nhỏ li ti trong cấu trúc than.
- Lọc hút bám: Bề mặt phân tử than sẽ thu hút các chất hóa học, tạp chất hòa tan trong nƣớc và giữ chúng nằm lại bên trong lõi lọc. Với đặc tính không hút nƣớc
21
nhƣng hấp thụ dầu mỡ, than hoạt tính có tác dụng mạnh với rất nhiều loại hóa chất chứa Clo, Benzen hay các hóa chất công nghiệp hòa tan trong nƣớc.
Yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu quả lọc của than hoạt tính
Cấu trúc vật lý của lõi lọc, ví dụ: kích thƣớc phân tử than, diện tích tiếp xúc bề mặt với tạp chất…
Tính chất của nguồn nƣớc cần lọc
Thành phần hóa học của các tạp chất trong nƣớc Nhiệt độ và độ pH của nƣớc lọc
Thời gian tiếp xúc giữa than lọc với nƣớc trong đó tốc độ dòng nƣớc là yếu tố rất quan trọng
Lƣu ý khi sử dụng than hoạt tính
- Chất lƣợng lõi lọc rất quan trọng, do vậy sử dụng lõi than hoạt tính dạng khối là tối ƣu nhất trong máy lọc nƣớc gia đình bởi mức độ “đặc” cao hơn, giúp ngăn cản và hấp thu tạp chất tốt hơn.
- Thời gian tiếp xúc giữa dòng nƣớc và lõi lọc càng lâu thì khả năng lọc càng hiệu quả. Điều này phụ thuộc vào tốc độ dòng nƣớc và kích thƣớc của ống lọc.
- Than hoạt tính sau khi hấp thụ lƣợng tạp chất sẽ bão hòa và do vậy không còn tác dụng lọc hiệu quả. Sau một thời gian nhất định lõi lọc cần phải đƣợc thay thế để bảo đảm hiệu quả lọc cao nhất. Thời gian sử dụng của lõi lọc tùy thuộc vào nguồn nƣớc và lƣợng nƣớc sử dụng cho từng hộ gia đình. Do vậy cần tham vấn công ty cung cấp sản phẩm lọc nƣớc.
- Tránh sử dụng nƣớc nóng chạy qua lõi lọc than hoạt tính bởi nƣớc nóng làm tăng khả năng hòa tan tạp chất, tăng khả năng “hoạt động” của tạp chất khiến than hoạt tính giảm mất khả năng hút bám hiệu quả.
Các chất bị than hoạt tính hấp thụ
Dạng than hạt thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong xử lý nƣớc có thể hấp phụ các chất sau:
- Dầu khoáng
- Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi: benzene, toluene, ethylbenzene, Xylen - Các hydrocarbon Polyaromatic (PAC)
- (Chloride) phenol
- Các dẫn suất Halogen: I, Br, Cl, H và F - Mùi
- Vị
- Nấm men
- Các sản phẩm lên men khác nhau
22
2.9.2 Sỏi – cát lọc
Cát, sỏi có tác dụng loại bỏ cặn bẩn, huyền phù, cặn lơ lửng,…
Đƣợc dùng trong xử lý nƣớc, lọc nƣớc. Cát, sỏi có tác dụng lọc các thành phần lơ lửng có kích thƣớc hạt nhỏ không có khả năng kết tủa khi để lắng tự nhiên. Trong quá trình lọc, trên bề mặt sỏi thạch anh sẽ tạo ra lớp màng lọc hỗ trợ cho quá trình lọc, đặc biệt khi Fe(OH)3 kết tủa trên bề mặt sẽ giúp hấp phụ Asen khi nguồn nƣớc có nguy cơ bị nhiễm Asen. Đây là tác nhân rất tốt trong việc giữ các kết tủa dạng bông có độ nhớt cao rất khó tách và khó lọc.
Dựa vào kích thƣớc hạt, cát đƣợc phân chia tiếp thành các lớp phụ.
Bảng 2.3: Phân loại cát theo kích thƣớc
Kích thƣớc (mm) 0,0625 – 0,125 0,125 – 0,25 0,25 – 0,5 0,5 - 1 1 - 2 Thang đo Wentworth Cát rất mịn Cát mịn Cát trung bình Cát thô Cất rất thô Thang đo Kachinskii 0,05 ≤ cát mịn ≤ 0,25 Cát trung bình Cát thô - (http://vi.wikipedia.org) 2.9.3 Vi sinh vật (Schmutzdecke)
Schmutdecke là một lớp sinh học phức tạp đƣợc hình thành trên bề mặt của bộ lọc cát. Schmutdecke là một nhân tố quan trọng trong hệ thống lọc vì nó tiêu diệt gần nhƣ toàn bộ vi sinh vật có hại.
Thành phần của Schmutdecke rất khác nhau, nhƣng thƣờng sẽ bao gồm một lớp keo màng sinh học của vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh,….
(http://en.wikipedia.org)
Theo tài liệu tập huấn bình lọc cát sinh học năm 2008 thì Schmutzdecke hay lớp vi sinh vật là thành phần vi khuẩn chủ yếu của bộ lọc có tác dụng loại bỏ tạp chất. Nếu không có nhóm vi sinh vật này thì bộ lọc chỉ loại bỏ đƣợc một số chất ô nhiễm dạng rắn (thông qua lớp cát), hiệu suất lọc chỉ có thể đạt từ 30 – 70%. Trƣờng hợp lớp vi sinh vật (đƣợc gọi là Schmutzdecke) có thể loại trừ đƣợc 90 – 99% các mầm bệnh sinh học.
Thời gian sinh trƣởng của vi sinh vật đƣợc chia làm 4 pha:
- Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy ra khi bể bắt đầu đi vào hoạt động. Đây là giai đoạn để các vi khuẩn thích nghi với môi trƣờng mới và bắt đầu quá trình phân bào
23
- Giai đoạn tăng trƣởng (log-growth phase): giai đoạn này các tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào và tăng nhanh về sức khỏe. Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lƣợng thức ăn trong môi trƣờng.
- Giai đoạn cân bằng (stational phase): lúc này mật độ vi khuẩn đƣợc giữ ở một số lƣợng ổn định. Nguyên nhân của giai đoạn này là các chất dinh dƣỡng cần thế cho quá trình tăng trƣởng của vi sinh vật đƣợc sử dụng hết và số lƣợng vi khuẩn sinh ra bằng số lƣợng vi khuẩn chết đi.
- Giai đoạn chết (log-death phase): trong giai đoạn này số lƣợng vi khuẩn hết đi nhiều hơn số lƣợng vi khuẩn đƣợc sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn giảm nhanh. Giai đoạn này có thể do các loài có kích thƣớc khả kiến hoặc là đặc điểm của môi trƣờng.
24
CHƢƠNG 3
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu
Đề tài tiến hành từ tháng 08/2013 đến tháng 11/2013. Địa điểm nghiên cứu:
Mô hình thí nghiệm hệ thống nƣớc sông đƣợc đặt tại hộ ông Bùi Văn Tra khu vực Thạnh Mỹ, phƣờng Thƣờng Thạnh, quận Cái Răng, TP Cần Thơ.
Mô hình thí nghiệm hệ thống nƣớc ngầm đƣợc đặt tại hộ ông Trần Văn Hừng số nhà 194F đƣờng Trần Hƣng Đạo, phƣờng Lê Bình, quận Cái Răng, TP Cần Thơ.
Mẫu nƣớc thu đƣợc tiến hành phân tích tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên thiên nhiên. Một số mẫu kim loại nặng (nhôm, đồng, kẽm) đƣợc gửi phân tích tại phòng thí nghiệm Chuyên sâu, Trƣờng Đại học Cần Thơ.
3.2 Phƣơng tiện nghiên cứu 3.2.1 Mô hình thí nghiệm 3.2.1 Mô hình thí nghiệm
25
Mô hình gồm có 1 máy bơm với hệ thống phao tự động để để bơm nƣớc vào thùng chứa bằng nhựa (250L)
Thùng chứa nƣớc đầu vào có dạng hình trụ, có chiều cao 90cm, đƣờng kính 55cm. Thùng chứa đƣợc lắp đặt cao hơn cột lọc để nƣớc có thể tự chảy vào cột lọc (cao 90 cm, đƣờng kính 40 cm).
Các cột lọc thực hiện thí nghiệm gồm:
- Cột C1 với các lớp vật liệu gồm: cát (50cm), sỏi nhỏ (10cm), sỏi lớn (10cm).
- Cột C2 với các lớp vật liệu gồm: cát (45cm), sỏi nhỏ (5cm), sỏi lớn (10cm), than hoạt tính (10cm)
26
- Cột lọc biosand để kiểm chứng, với các lớp vật liệu gồm: cát (50cm), sỏi (20cm), một thùng phân phối nƣớc đặt phía trên cột lọc.
b. Chuẩn bị vật liệu cho cột lọc trong mô hình
Rửa vật liệu sử dụng cho cột lọc (sỏi, cát, than): các vật liệu lần lƣợt đƣợc rửa nhƣ sau:
- Lần lƣợt cho từng loại vật liệu vào bồn nhựa, sau đó thêm đầy nƣớc. - Khuấy đều vật liệu nhiều lần.
- Đổ bỏ nƣớc bẩn đi.
- Tiếp tục thực hiện các bƣớc và thao tác nhƣ trên cho đến khi nƣớc trong bể trở nên sạch, trong.
Bảo quản
- Sau khi rửa sạch các vật liệu sỏi, cát, than hoạt tính, để vật liệu ráo nƣớc. - Sau đó cho vật liệu vào bao hoặc túi để chứa.
- Trữ ở nơi khô ráo.
(Nguồn: CAWST, 2009)
c. Bảo quản cột lọc
Cột lọc phải đƣợc vận hành trong thời gian khoảng 30 ngày để chất lƣợng nguồn nƣớc đầu ra đạt QCVN 02:2009/BYT.
Nên có hệ thống mái che để tránh mƣa, nắng,... đảm bảo tuổi thọ của cột lọc Cột lọc phải đƣợc vệ sinh thƣờng xuyên (khoảng 3 tuần/lần) để chất lƣợng nguồn nƣớc đạt quy chuẩn và tránh cột lọc bị nghẹt, đảm bảo lƣợng nƣớc thu đƣợc.
3.2.2 Dự toán kinh phí lắp đặt hệ thống
Bảng 3.3: Giá thành các vật liệu trong quá trình thiết kế hệ thống lọc nƣớc
STT Thiết bị và vật liệu Đơn vị Đơn giá
Số lƣợng
Thành tiền
1 Máy bơm cái 650.000 1 650.000
2 Thùng nhựa 120L cái 200.000 1 200.000
3 Thùng nhựa 200L cái 250.000 1 250.000
4 Ống nƣớc D=21mm m 15.000 5 75.000
5 Van nhựa cái 15.000 3 45.000
6 Than hoạt tính kg 20.000 10 200.000 7 Cát kg 3.000 50 150.000 8 Sỏi nhỏ kg 2.500 1 2.500 9 Sỏi lớn kg 2.500 1 2.500 10 Chi phí khác 50.000 Tổng cộng 1.625.000
27
3.2.3 Phƣơng tiện thực hiện phân tích các chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc
- Máy đo pH: Hanna HI 8314 membrane pH – meter,
- Máy đo độ đục: Orbeco – Hellige portable turbidimater model 966. Hoa Kỳ
- Máy so màu: U-2800 spectrophotometer, - Cân điện tử: CP323S, Đức
- Bộ chuẩn độ - Đĩa petri nuôi cấy
- Tủ lạnh, bếp đun, tủ sấy,…
- Hóa chất và các dụng cụ sử dụng phân tích các chỉ tiêu về chất lƣợng nƣớc.
3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.1 Các bƣớc thực hiện thí nghiệm 3.3.1 Các bƣớc thực hiện thí nghiệm
- Thu thập số liệu: tìm hiểu các thông tin liên quan đến đề tài, các chỉ số, các thông số thiết kế.
- Thiết kế cột lọc cát cải tiến quy mô hộ gia đình trên bản vẽ. - Xây dựng mô hình theo bản thiết kế.
- Lựa chọn vị trí thực hiện thí nghiệm - Lắp đặt mô hình.
- Vận hành mô hình bằng nƣớc sông và thực hiện nghiên cứu xác định lƣu lƣợng nƣớc đầu vào là 0.2 lít/phút, 0.5 lít/phút, 0.6 lít/phút, 0.7 lít/phút, 0.8 lít/phút, 1lít/phút, 1.5 lít/phút, 2 lít/phút để xác định lƣu tốc xử lý nƣớc tối ƣu của mô hình.
- Sau khi xác định đƣợc lƣu lƣợng nạp tối ƣu, thực hiện lắp đặt 2 mô hình nƣớc mặt và nƣớc ngầm (lọc than hoạt tính kết hợp), thu mẫu và phân tích một số chỉ tiêu lý, hóa, vi sinh để xác định hiệu suất xử lý của cột lọc.
- Đồng thời đề tài cũng tiến hành vận hành xử lý nƣớc bằng cột lọc cát thông dụng (biosand) làm cột lọc đối chứng để so sánh với mô hình cột lọc cát cải tiến quy mô hộ gia đình.
3.3.2 Phƣơng pháp thu và bảo quản mẫu
- Mẫu thứ nhất: (nƣớc đầu vào)
+ Đối với nƣớc mặt (nƣớc sông): thu mẫu ở điểm số 1 (khi nƣớc chảy vào cột lọc) (Hình 3.1)
+ Đối với nƣớc ngầm (nƣớc giếng khoan): bơm bỏ nƣớc khoảng 5 – 10 phút, bắt đầu bơm vào bể chứa, cũng lấy mẫu ở điểm số 1
- Mẫu thứ 2, 3, 4: (nƣớc đầu ra) sau khi nƣớc qua cột lọc, đặt miệng chai ngay dƣới vòi (điểm số 2,3,4) (Hình 3.1)
28
Bảng 3.1: Phƣơng pháp bảo quản mẫu
STT Chỉ tiêu Điều kiện bảo quản Thời gian lƣu mẫu
1 pH Không bảo quản Ngay sau khi thu mẫu
2 Độ đục Không bảo quản Không quá 4 giờ
3 SS Không bảo quản Trong 4 giờ
4 TDS Không bảo quản Trong 4 giờ
5 Độ cứng Không bảo quản Trong vòng 2 ngày
6 NH4+ Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 4oC, thêm 1ml H2SO4
Trong 2 ngày
7 NO2- Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 4oC, thêm 1ml H2SO4
Trong 2 ngày
8 NO3- Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 4oC, thêm 1ml H2SO4
Trong 2 ngày
9 PO43- Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 40C
Trong vòng 1 ngày
10 Sắt tổng Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 4oC, thêm 3ml HNO3
Từ 1 – 2 ngày
11 Nhôm Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 40C, 2 ml HNO3 đặc
6 tháng
12 Đồng Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 40C, 2 ml HNO3 đặc
6 tháng
13 Kẽm Thu trong chai nhựa 100ml, giữ lạnh ở 40C, 2 ml HNO3 đặc
6 tháng
14 E. coli Thu trong chai thủy tinh 100ml đã tiệt trùng, giữ lạnh ở 4o
C
Trong vòng 8 giờ
15 Coliform Thu trong chai thủy tinh 100ml đã tiệt trùng, giữ lạnh ở 4o
C
Trong vòng 8 giờ
3.3.3 Phƣơng pháp phân tích mẫu
Các chỉ tiêu hóa học (Tổng Fe, độ cứng, NO3-, PO43-), vật lý (pH, SS, TDS) và chỉ tiêu vi sinh (E. coli, coliforms) đƣợc phân tích tại phòng thí nghiệm Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên thiên nhiên.
29
Bảng 3.2: Phƣơng pháp phân tích một số chỉ tiêu
STT Chỉ tiêu Đơn vị Phƣơng pháp phân tích
1 pH Máy đo
2 TDS mg/L Máy đo TDS
3 Độ đục NTU Máy đo độ đục
4 SS mg/L Phƣơng pháp lọc
5 Độ cứng mg/L Phƣơng pháp EDTA
6 Tổng Fe mg/L Phƣơng pháp Thiocianate
7 NH4+ mg/L Phƣơng pháp Salicylate
8 NO2- mg/l Phƣơng pháp Colorimetric
9 NO3- mg/L Phƣơng pháp Salicylate
10 PO43- mg/L Phƣơng pháp Ascorbic acid 11 E. coli CFU/100ml Phƣơng pháp đếm khuẩn lạc 12 Coliform CFU/100ml Phƣơng pháp đếm khuẩn lạc
13 Nhôm mg/L Std. Method 2005
14 Đồng mg/L Std. Method 2005
15 Kẽm mg/L Std. Method 2005
3.3.4 Phƣơng pháp tính toán và xử lý số liệu a. Chỉ tiêu vi sinh
Xác định kết quả bằng cách đếm khuẩn lạc.
Mật độ vi khuẩn = số khuẩn lạc x 100 (đơn vị: vi khuẩn/100ml)
b. Chỉ tiêu vật lý
Các chỉ tiêu pH, tổng chất rắn hòa tan (TDS), độ đục: ghi nhận kết quả hiển thị trên máy đo.
Chất rắn lơ lửng (SS)
Sau khi lọc mẫu nƣớc qua giấy lọc sợi thủy tinh đã biết trƣớc trọng lƣợng, đem nung ở 103 – 105oC, để nguội, đem cân. Kết quả đƣợc tính nhƣ sau:
Trong đó:
W1: trọng lƣợng ban đầu của giấy lọc (mg)
W2: trọng lƣợng giấy lọc + mẫu trên giấy lọc (mg) sau khi sấy ở 103 – 105oC V: thể tích mẫu nƣớc đem đi lọc (mL)
c. Chỉ tiêu hóa học
Các chỉ tiêu hóa học nhƣ NO3-, PO43-, tổng Fe,... đƣợc đo bằng phƣơng pháp so màu nên chỉ cần dựa vào số liệu đo của đƣờng chuẩn, lập phƣơng trình