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 hoặc do các động thực vật sống trong nƣớc gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nƣớc ảnh hƣởng đến quá trình quang hợp dƣới nƣớc. Các vi khuẩn gây bệnh có thể xâm nhập vào các hạt chất rắn, không đƣợc khử trùng và có thể gây bệnh (Nguyễn Văn Bảo, 2002).
Độ đục là một trong những thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nƣớc và là yếu tố quyết định trong vận hành hệ thống. Nếu độ đục lớn hơn 100 NTU thì nƣớc nên đƣợc xử lý sơ bộ trƣớc khi đi qua bộ lọc nƣớc bằng cát.
QCVN 02:2009/BYT 6.0 – 8.5
37
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 lọc biosand).
Dựa vào hình 4.9, 4.10 và bảng 5 của phụ lục 4 nhận thấy độ đục của nƣớc đầu vào có giá trị trung bình cao (119.11 NTU), gấp 24 lần so với quy chuẩn, dao động từ 86 – 149.4 NTU. Sau khi qua cột lọc thì giá trị độ đục giảm rõ rệt.
- Ở cột C1, giá trị độ đục chỉ còn 3.36 NTU (hiệu suất đạt 97.18%). - Ở cột C2, giá trị độ đục còn 3.86 NTU (hiệu suất đạt 96.76%) - Ở cột ĐC, chỉ còn 2.86 NTU (đạt 97.60%).
Giá trị độ đục của các cột lọc đều đạt hiệu suất xử lý hơn 96% và phù hợp với QCVN 02:2009/BYT (phụ lục 2) quy định về chỉ tiêu độ đục trong nƣớc sinh hoạt (5 NTU). Nhƣng giá trị độ đục không khác biệt lớn giữa các cột lọc, chứng tỏ cột lọc đƣợc vận hành liên tục hay không liên tục, có lớp than hoạt tính hay không cũng không ảnh hƣởng nhiều đối với giá trị độ đục và không có ý nghĩa xử lý thống kê (p>0.05).
Nhƣ vậy, qua các cột lọc thì độ đục gần nhƣ giảm hoàn toàn, vì các hạt lơ lửng có trong nguồn nƣớc đầu vào sẽ đƣợc giữ lại trong các lớp cát của cột lọc nên nƣớc đầu ra trong hơn rất nhiều so với nƣớc đầu vào. Xét về cảm quan, có thể dễ dàng nhận thấy nƣớc đầu ra của cột lọc trong suốt nhƣ nƣớc đóng chai (phụ lục 7).
Hình 4.9: Giá trị độ đục của nƣớc mặt đầu vào cột lọc
Hình 4.10 Giá trị độ đục của nƣớc mặt đầu ra của các cột lọc
QCVN 02:2009/BYT 5 NTU
38
c. Chất rắn lơ lửng (SS)
Tƣơng tự tính chất độ đục của nƣớc, hàm lƣợng SS trong nƣớc cao sẽ làm giảm khả năng truyền ánh sáng vào trong nƣớc, nên làm giảm khả năng quang hợp và đây cũng là yếu tố ảnh hƣởng đến công suất vận hành của hệ thống.
Giá trị: 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 lọc biosand).
Kết quả hình 4.11 cho thấy hàm lƣợng SS của nƣớc đầu vào rất lớn (71,2 mg/l) (bảng 7 của phụ lục 4).
Chất lƣợng nguồn nƣớc sau khi qua cột lọc, cho kết quả hàm lƣợng SS đƣợc loại bỏ giảm đáng kể, cụ thể:
- Ở cột C1, hàm lƣợng SS chỉ còn 1.87 mg/l (hiệu suất đạt 97.38%) - Ở cột C2, hàm lƣợng SS còn 0.63 mg/l (hiệu suất đạt 99.11%) - Ở cột ĐC, hàm lƣợng SS còn 0.72 mg/l (hiệu suất đạt 98.99%)
Nhƣ vậy, chất lƣợng nƣớc của cả 3 cột lọc đều đạt đƣợc hiệu suất xử lý cao đối với hàm lƣợng SS trong nƣớc.
Theo kết quả thống kê cho thấy hàm lƣợng SS trong mẫu nƣớc đầu ra không có sự khác biệt (p>0.05) dù thay đổi vật liệu lọc hay thay đổi thời gian vận hành giữa các cột lọc, nên có thể sử dụng cả ba cột lọc để làm giảm hàm lƣợng SS trong nƣớc.
d. Tổng chất rắn hòa tan (TDS)
Tổng chất rắn hòa tan là tổng số các ion mang điện tích, bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong nƣớc với một khối lƣợng nhất định. TDS thƣờng đƣợc lấy làm cơ sở để đánh giá mức độ tinh khiết của nguồn nƣớc. Chất rắn
Hình 4.11: Hàm lƣợng SS của nƣớc mặt đầu vào cột lọc
Hình 4.12: Hàm lƣợng SS của nƣớc mặt đầu ra của các cột lọc
39
hòa tan đang nói ở đây tồn tại dƣới dạng các ion âm và dƣơng. Do nƣớc luôn có tính hoà tan rất cao nên nó thƣờng có xu hƣớng lấy các ion từ vật nó tiếp xúc
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 lọc biosand)
Hình 4.8: Hàm lƣợng TDS của nƣớc mặt trƣớc và sau xử lý của các cột lọc
Theo kết quả hình 4.8 và bảng 3 của phụ lục 4, cho thấy hàm lƣợng TDS trong mẫu nƣớc đầu vào khá cao, nhƣng khi qua cột lọc thì hàm lƣợng TDS giảm rõ rệt, chứng tỏ hiệu suất xử lý của các cột lọc khá cao và có ý nghĩa thống kê (p<0.05).
Nhƣng hiệu suất xử lý giữa các cột lọc có nguồn nguyên liệu khác nhau thì không khác biệt lớn nên không có ý nghĩa thống kê (p>0.05). Ở cột C1, hiệu suất đạt 63.63%; cột C2, hiệu suất đạt 59.76%; cột ĐC, hiệu suất đạt 59.06%. Từ kết quả phân tích nhận thấy hàm lƣợng TDS trong nƣớc sau xử lý đều đạt QCVN 01:2009/BYT (phụ lục 1).
Để đạt đƣợc hiệu suất này thì phải vận hành cột lọc trong một khoảng thời gian nhất định (khoảng 1 tháng) để loại bỏ TDS còn lại trong vật liệu của cột lọc chƣa đƣợc loại bỏ trong quá trình rửa. Nếu không thì hàm lƣợng TDS của mẫu nƣớc đầu ra sẽ cao hơn mẫu nƣớc đầu vào vì nƣớc kéo theo lƣợng chất rắn hòa tan có trong vật liệu lọc.
e. Amoni (NH4+)
Hàm lƣợng NH4+ phụ thuộc vào pH và nhiệt độ, khi pH và nhiệt độ giảm thì hàm lƣợng NH4+ giảm và ngƣợc lại. NH4+ bị khử thành NO2- do quá trình hoạt