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
30
tƣơng quan giữa nồng độ và mật độ quang dƣới phƣơng trình dạng y = ax + b, so sánh kết quả của mẫu đo với phƣơng trình, từ đó suy ra nồng độ.
Độ cứng
Sau khi chuẩn độ, xác định độ cứng tổng bằng công thức:
Trong đó:
V: thể tích dung dịch EDTA đã chuẩn độ (mL)
CN: Nồng độ tƣơng đƣơng của dung dịch EDTA dùng chuẩn độ (N)
EwCaCO3: đƣơng lƣợng gram của CaCO3 = 50g
Vm: thể tích mẫu đem đi chuẩn độ (mL)
3.3.5 Xử lý số liệu
31
CHƢƠNG 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Xác định lƣu lƣợng vận hành tối ƣu
Đề tài đã tiến hành thiết kế cột lọc cát cải tiến theo nhu cầu sử dụng nƣớc cho sinh hoạt của các hộ gia đình. Do đó cột lọc cần đƣợc vận hành với các mức lƣu lƣợng tối đa nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng nƣớc sau xử lý đáp ứng chất lƣợng nƣớc sử dụng cho sinh hoạt (QCVN 02:2009/BYT). Nghiên cứu đã vận hành cột lọc cát với các mức lƣu lƣợng nhƣ bảng 4.1 và đã phân tích một số chỉ tiêu pH, độ đục, chất rắn lơ lửng (SS), vi khuẩn E. coli, tổng coliform.
Bảng 4.1: Lƣợng nƣớc thu đƣợc đối với các mức lƣu lƣợng nạp Lƣu lƣợng nạp
(lít/phút) 0.2 0.5 0.6 0.7 0.8 1 1.5 2
Lƣợng nƣớc thu
đƣợc (lít/ngày) 288 720 864 1008 1152 1440 2160 2880
Hiệu suất xử lý của cột lọc cát nhƣ sau:
4.1.1 pH
Hình 4.1: Giá trị pH của các mức lƣu lƣợng nạp đầu vào và đầu ra của hệ thống
Kết quả ở hình 4.1 cho thấy giá trị pH của nƣớc đầu vào dao động từ 6.79 đến 7.42 phù hợp khoảng pH cho phép của QCVN 02:2009 BYT (pH = 6.0 – 8.5), pH của nƣớc sau cột lọc (đầu ra) dao động từ 6.96 – 7.63 vẫn đạt khoảng pH cho phép của QCVN 02:2009/BYT. Điều này cho thấy giá trị pH không thay đổi nhiều sau khi qua cột lọc cát.
32
4.1.2 Tổng chất rắn hòa tan (TDS)
Hình 4.2: Hàm lƣợng TDS của các mức lƣu lƣợng nạp
Dựa vào hình 4.2 cho thấy hàm lƣợng TDS đầu vào ở mức khá cao, nhƣng khi qua cột lọc thì hàm lƣợng TDS giảm rõ rệt, điều này cho thấy hiệu suất xử lý TDS của cột lọc cát khá cao. Đặc biệt ở các mức lƣu lƣợng vận hành từ 0.2 – 0.7 lít/phút hiệu suất xử lý TDS đạt 61.76 – 66.31% (phụ lục 3). Tuy nhiên ở mức vận hành từ 0.8 lít/phút, hàm lƣợng TDS đầu vào khá cao (190.68 mg/l) nhƣng hiệu suất xử lý của cột lọc cát đã giảm đáng kể (59.42%). Điều này có lẽ do khi cột lọc vận hành với lƣu lƣợng thấp thì vận tốc nƣớc qua lớp vật liệu thấp, giúp làm giảm các hạt cặn và khoáng chất. Nên TDS của nƣớc sau khi xử lý đã đƣợc giảm đáng kể. Với mức lƣu lƣợng vận hành cao hơn (>0.8 lít/phút) nƣớc qua lớp vật liệu nhanh, nên lớp vật liệu lọc không giữ đƣợc hạt cặn và khoáng chất, do đó hiệu suất xử lý TDS của cột lọc không cao.
33
4.1.3 Độ đục và chất rắn lơ lửng (SS)
Độ đục và SS có tỉ lệ thuận với nhau, khi hàm lƣợng SS trong nƣớc cao sẽ cản trở quá trình truyền ánh sáng, dẫn đến độ đục trong nƣớc cao và ngƣợc lại.
Hình 4.3: Giá trị độ đục của các mức lƣu lƣợng nạp
Hình 4.4: Hàm lƣợng SS của các mức lƣu lƣợng nạp
Dựa vào kết quả hình 4.3 và 4.4 nhận thấy hiệu quả xử lý độ đục và SS giảm theo các mức lƣu lƣợng vận hành. Khi vận hành cột lọc với lƣu lƣợng 0.2 lít/phút hiệu quả xử lý độ đục và SS đạt tƣơng ứng 97.42% và 99.37%, khi vận hành với lƣu lƣợng 2 lít/phút hiệu quả xử lý giảm xuống còn 30.05% và 85.27% (phụ lục 3). Điều này cho thấy khi vận hành cột lọc với lƣu lƣợng lớn và vận tốc nhanh, các hạt chất rắn lơ lửng trôi theo dòng nƣớc chảy qua các lớp vật liệu lọc. Do đó lƣợng chất rắn lơ lửng bị giữ lại bên trong lớp vật liệu lọc không nhiều dẫn đến hiệu suất xử lý độ đục và SS giảm.
34
Nhìn chung, cột lọc có hiệu quả xử lý độ đục và SS cao khi đƣợc vận hành với lƣu lƣợng < 0.8 lít/phút. Theo kết quả hình 4.3 và 4.4 cho thấy mặc dù hàm lƣợng độ đục và SS của nƣớc đầu vào cao hay thấp, nhƣng độ đục của nƣớc đầu ra luôn dao động từ 2.4 - 4.8 NTU và SS dao động từ 0.8 – 4.3mg/l, đạt giá trị độ đục và SS cho phép trong QCVN 02:2009/BYT.
4.1.4 Chỉ tiêu vi sinh
Hình 4.5: Số lƣợng vi khuẩn E. coli của các mức lƣu lƣợng nạp
Hình 4.6: Số lƣợng Coliform của các mức lƣu lƣợng nạp
Theo kết quả phân tích ở hình 4.5 và 4.6 cho thấy hiệu suất xử lý các chỉ tiêu vi sinh của cột lọc khá cao.
Ở mức lƣu lƣợng từ 0.2 lít/phút – 0.7 lít/phút kết quả cột lọc đã xử lý hoàn toàn hàm lƣợng vi sinh trong nƣớc, hiệu quả xử lý E. coli và Coliform đạt 100%.
35
60% (phụ lục 3) hàm lƣợng E. coli và Coliform trong nƣớc đầu ra cao hơn so với hàm lƣợng E. coli và Coliform cho phép trong QCVN 02:2009/BYT. Điều này có thể lý giải rằng đối với mức lƣu lƣợng nạp cao thì cột lọc không đủ thời gian để tiêu diệt hết các vi khuẩn. Ngƣợc lại, khi mức lƣu lƣợng thấp thì cột lọc có thời gian giữ nƣớc trong cột lọc và tiêu diệt gần nhƣ hoàn toàn vi sinh vật có hại trong nƣớc.
4.1.5 Lƣu lƣợng vận hành tối ƣu
Theo các kết quả phân tích một số chỉ tiêu chất lƣợng nƣớc của các mức lƣu lƣợng nạp, cho thấy:
- Với mức lƣu lƣợng vận hành 0.2 lít/phút, cột lọc có hiệu suất xử lý nƣớc cao nhƣng lƣợng nƣớc đầu ra không nhiều, do đó không đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng nƣớc của các hộ gia đình.
- Khi cột lọc vận hành với các mức lƣu lƣợng 0.5 – 0.7 lít/phút thì cột lọc có hiệu suất xử lý cao (TDS 66.31%, độ đục 98.41%, SS 99.69%, vi sinh 100%) và hàm lƣợng các chỉ tiêu trong nƣớc đầu ra đều thấp hơn hàm lƣợng cho phép của QCVN 02:2009/BYT.
Do đó, đề tài đề xuất nên vận hành các cột lọc với các lƣu lƣợng nạp nƣớc từ 0.5 – 0.7 lít/phút, nhằm đảm bảo chất lƣợng nƣớc sau xử lý và đảm bảo đáp ứng đủ lƣợng nƣớc cho nhu cầu sử dụng nƣớc của các hộ gia đình.
4.2 Hiệu suất xử lý của hệ thống 4.2.1 Đặc điểm các cột lọc 4.2.1 Đặc điểm các cột lọc
Cột C1: cột lọc có lớp cát (50cm), sỏi nhỏ (10cm), sỏi lớn (10cm), vận hành cột lọc liên tục.
Cột C2: cột lọc có lớp cát (45cm), sỏi nhỏ (5cm), sỏi lớn (10cm), than hoạt tính (10cm), vận hành liên tục.
Cột ĐC: cột lọc đối chứng (cột lọc biosand)
4.2.2 Nguồn nƣớc mặt a. pH a. pH
Giá trị pH có vai trò quan trọng trong quyết định loài vi sinh vật nào có thể phá triển nhanh trong môi trƣờng (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2001). Đây là một trong những chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lƣợng nƣớc cấp và nƣớc thải. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý bằng phƣơng pháp thích hợp và điều chỉnh lƣợng hóa chất trong quá trình xử lý. pH của nƣớc phụ thuộc vào quá trình quang hợp của thủy sinh vật, quá trình phân hủy các chất hữu cơ và phóng thích CO2 làm giảm pH.
Kết quả phân tích hình 4.7 cho thấy giá trị pH của nƣớc sông thực hiện thí nghiệm dao động từ 6.97 – 7.01, đây là khoảng pH nằm trong giới hạn cho phép nƣớc sinh hoạt của QCVN 02:2009/BYT (6.0 – 8.5)
36
Ghi chú: Cột giá trị có ít nhất một chữ cái giống nhau thì không có ý nghĩa thống kê (p>0.05). Chú thích: ĐV (nguồn nƣớc đầu vào), C1 (cột lọc gồm cát, sỏi nhỏ và lớn, vận hành liên tục), C2 (cột lọc
gồm cát, sỏi nhỏ, sỏi lớn, than hoạt tính, vận hành liên tục), ĐC (cột biosand).
Hình 4.7: Giá trị pH của nƣớc mặt trƣớc và sau xử lý của các cột lọc
pH của nƣớc đầu ra của các cột lọc đều nằm trong khoảng 7.07 – 7.16, phù hợp khoảng pH cho phép của QCVN 02:2009/BYT và sự chênh lệch pH của nƣớc sau xử lý giữa các cột lọc không có ý nghĩa thống kê (p>0.05).
Điều này cho thấy nguyên liệu của cột lọc không ảnh hƣởng nhiều đến sự biến động giá trị pH của nƣớc.
b.Độ đục
Độ đục trong nƣớc là do các hạt chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã