Ghi chú: Co = 507 µg/l
Đối với vật liệu H1, tại các thời điểm lấy mẫu sau 1 giờ, 2 giờ, 4 giờ, nồng độ asen trong mẫu nƣớc tại van ra số 4 nằm trong khoảng từ 4 đến 7 µg/l, hiệu suất xử lý asen đạt gần 100%. Sau đó giảm dần vào các thời điểm tiếp theo và đạt trạng thái cân bằng tại thời điểm sau 96 tiếng, nồng độ asen tại van lấy mẫu là 415 µg/l, hiệu quả xử lý chỉ đạt 18%.
Đối với vật liệu O1, tại các thời điểm lấy mẫu trong 4 giờ đầu tiên, nồng độ asen trong nƣớc đầu ra tại van số 4 nhỏ hơn 10 µg/l, hiệu suất xử lý asen đạt gần 100%. Thời điểm đạt cân bằng là sau 82 tiếng, nồng độ asen trong nƣớc tại đầu ra là 451 µg/l, hiệu suất xử lý giảm xuống còn 11%.
Để đánh giá chính xác hơn dung lƣợng hấp phụ cực đại của hai vật liệu này và thời gian nồng độ asen giảm đi ½ tiến hành xây dựng mơ hình hấp phụ động của Thomas và Yoon – Nelson.
(b)
Hình 3.5. Đồ thị sự phụ thuộc của ln[(Co/Ce) – 1] vào t của asen đối với 2 loại vật liệu H1 (a) và O1 (b) theo mơ hình Thomas
Từ kết quả thu đƣợc, các thơng số trong mơ hình hấp phụ động Thomas đƣợc thể hiện dƣới bảng sau.
Bảng 3.1. Các thơng số trong mơ hình Thomas
Vật liệu R2 KT qo
H1 0,8301 0,00179 4,4
O1 0,8743 0,00193 3,9
Bảng 3.1 cho thấy dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu H1 với asen trong thí nghiệm đƣợc tiến hành là 4,4 mg/g cao hơn dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu O1 với asen (3,9 mg/g). So sánh kết quả trên với kết quả của Phạm Hoàng Giang và các cộng sự (2017) [42] khi tiến hành khảo sát với vật liệu kích thƣớc 1 – 2 mm của hai loại vật liệu trên cho kết quả qo của vật liệu O1 đạt 50,87 mg/g, qo của vật liệu H1 đạt 129,11 mg/g. Có thể nhận thấy rằng dung lƣợng hấp phụ cực đại của hai loại vật liệu dạng viên giảm nhiều lần so với kích thƣớc dạng hạt 1 – 2 mm. Điều này cho thấy kích thƣớc càng nhỏ thì dung lƣợng hấp phụ càng cao, tuy nhiên trong điều kiện sản xuất và áp dụng thực tế, các kích thƣớc nhỏ và dạng bột không bền gây tắc ống dẫn và rò rỉ theo dòng nƣớc.
(a) Vật liệu H1
(b) Vật liệu O1
Hình 3.6. Đồ thị sự phụ thuộc của ln[Ce/(Co-Ce)] vào t của asen đối với 2 loại vật liệu H1 (a) và O1 (b) theo mơ hình Yoon - Nelson
Từ đồ thị trên, các thơng số trong mơ hình hấp phụ động Yoon – Nelson đƣợc tính tốn và thể hiện dƣới đây.
Bảng 3.2. Kết quả các thơng số trong mơ hình hấp phụ động Yoon - Nelson
Vật liệu R2 KYN
H1 0,8301 0,00091 3468
Từ kết quả bảng trên cho thấy, thời gian để hấp phụ 50% asen trong thí nghiệm của vật liệu H1 là 3468 phút, lớn hơn thời gian hấp phụ 50% asen của vật liệu O1 (3069 phút). Với các thơng số tính tốn đƣợc theo mơ hình hấp phụ động Thomas và Yoon – Nelson có thể thấy rằng hai loại vật liệu hấp phụ dạng viên trên có khả năng hấp phụ asen, do đó có thể áp dụng vào quy mơ thực tế để xử lý asen trong nƣớc ngầm.
3.3 Tính tốn thiết kế hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm quy mô phân tán
3.3.1 Căn cứ thiết kế
Thời gian làm việc 10 h/ngày.
Lƣu lƣợng nƣớc vào : Qvào = 2 m3/ 10 h = 0,2 m3/h.
Nồng độ asen trong nƣớc đầu vào trong khoảng 300 - 400 µg/l.
3.3.2 Tính tốn thiết kế
Cao trình dây chuyền cơng nghệ của hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm quy mơ phân tán đƣợc trình bày cụ thể trong hình 3.7.
a. Bể sục khí
Chọn bể sục khí là bình inox loại 304, dễ gia cơng, bền chắc và có khả năng chịu ảnh hƣởng của thời tiết. Dàn mƣa đặt bên trên lắp bể với đƣờng kính các lỗ từ 2 đến 5 mm. Ống sục khí đƣợc đặt dƣới đáy bể để đảm bảo q trình sục khí đƣợc đều và ổn định.
Xác định kích thƣớc của bể:
Thời gian lƣu nƣớc bể sục khí: t = 0,5 h. Thể tích bể V = Qvào × t = 0,2 × 0,5 = 0,1 m3 Đƣờng kính bể: chọn đƣờng kính bể D = 0,42 m
→ Diện tích mặt thống của bể F = × π = × π = 0,14 m2
Chiều cao phần sục khí: h = = = 0,71 m (lớn hơn 0,5 m phù hợp với yêu cầu của TCVN 33:2006/BXD). Lấy chiều cao bể = 1,2 m để tránh nƣớc nhanh đầy bể gây tràn hoặc phao tự động nối với máy bơm bật ngắt liên tục và tăng thời gian tiếp xúc với khơng khí của nƣớc bơm qua dàn mƣa. Bể sục khí đƣợc đặt trên giá cao để đảm bảo áp lực cho nƣớc đi ra.
Máy sục khí và bộ phân phối khí: Khí đƣợc bơm vào ngƣợc chiều với chiều rơi của các tia nƣớc. Lƣợng khí cần cung cấp cho một mét vuông bề mặt trong một giờ từ 30 đến 40 m3 [15]. Do đó, lƣợng khơng khí tối đa cần cấp vào bể sục khí là:
Qkhí= q × F = 40 × 0,14 = 5,6 m3/h
Điều chỉnh máy sục khí với tốc độ sục tối đa 5,6 m3/h. Bản vẽ chi tiết thiết kế bể sục khí đƣợc trình bày tại hình 3.8.
Hình 3.8. Bản vẽ chi tiết thiết kế của bể sục khí b. Bể lắng b. Bể lắng
Bể lắng có chức năng giữ nƣớc lại sau q trình làm thống và sục khí cƣỡng bức trong một thời gian để tách lƣợng cặn nặng trƣớc khi chuyển sang bể lọc. Bể lắng cũng là bình inox loại 304, dễ gia công, bền chắc và có khả năng chịu ảnh hƣởng của thời tiết với đƣờng kính 420 mm.
Kích thƣớc bể:
Đƣờng kính bể D = 0,42 m.
Thời gian lƣu nƣớc trong bể lắng t = 0,5 h.
Thể tích phần lắng = Qvào × t = 0,2 × 0,5 = 0,1 m3. Chiều cao phần lắng hl = =
= 0,7 m. Lấy chiều cao bể lắng là 1,2 m. Tốc độ nƣớc dâng = =
= 1,43 (m/h) = 0,397 (mm/s). Theo TCVN 33:2006/BXD, tốc độ lắng cặn của hạt trong xử lý sắt ở nƣớc ngầm là 0,35 đến 0,4 mm/s, tốc độ nƣớc dâng theo tính tốn xấp xỉ bằng tốc độ lắng cặn ở mức 0,4 mm/s của tiêu chuẩn do đó các cặn hydroxyt sắt (III) hồn tồn có thể lắng đƣợc, một
phần các cặn nhỏ khơng thắng đƣợc lực đẩy của dịng nƣớc đang di chuyển lên sẽ theo chiều dòng nƣớc chảy sang bể lọc chính. Tuy nhiên bể lắng mô phỏng lắng lamen với kết cấu lắng nghiêng chế tạo từ các ống nhựa nhỏ, xếp nghiêng 60o [15]. Nguồn nƣớc từ bể sục khí vào bể lắng sẽ di chuyển theo chiều từ dƣới lên theo các ống lắng đƣợc thiết kế nghiêng 60°, trong quá trình di chuyển các cặn lắng (kết tủa hay bông lắng) sẽ va chạm vào nhau và bám vào bề mặt ống lắng, làm tăng hiệu quả lắng. Khi các bơng lắng kết dính với nhau trên bề mặt ống lắng lamen đủ nặng và thắng đƣợc lực đẩy của dòng nƣớc đang di chuyển lên thì bơng kết tủa sẽ trƣợt xuống theo chiều ngƣợc lại và rơi xuống đáy bể lắng. Đồng thời trong quá trình lắng xảy ra hiện tƣợng cộng kết với asen dẫn đến một lƣợng asen sẽ đƣợc loại bỏ ra khỏi nƣớc. Bản vẽ chi tiết thiết kế của bể lắng đƣợc thể hiện trong hình 3.9.
Hình 3.9. Bản vẽ chi tiết thiết kế của bể lắng c. Bể lọc hấp phụ c. Bể lọc hấp phụ
Chiều nƣớc chuyển động trong bể hình trụ: Nƣớc từ dƣới đi lên trên với vận tốc V= 1,02 m/h. Nƣớc đƣợc chảy phân bố đều nhờ các ống nhánh với các lỗ chảy quay xuống dƣới để tránh bị cát sỏi hay cặn rơi xuống gây tắc đƣờng ống.
Lớp sỏi có chức năng làm giá đỡ, tránh cho cát rơi vào đƣờng ống gây tắc
nghẽn. Độ lớn của hạt: Các hạt lớn nhất có đƣờng kính khơng vƣợt q hai lần đƣờng kính các hạt bé nhất. Đƣờng kính hạt đƣợc sử dụng có kích thƣớc trung bình d = 8 – 16 mm. Do đó chiều dày của lớp vật liệu lọc sẽ là 100 mm [15].
Lớp cát thạch anh có thành phần hạt: đƣờng kính hạt bé nhất dmin = 0,8 mm, đƣờng kính hạt lớn nhất dmax = 1,8 mm, đƣờng kính trung bình dtb = 1,1 mm. Chiều dày lớp cát là 300 mm.
Lớp vật liệu hấp phụ H1/O1:
Kích thƣớc viên vật liệu: đƣờng kính d = 10 mm, chiều dài l = 10 - 15 mm. Thể tích viên vật liệu trung bình = πr2 * l = π x 0,52 x 1,3 = 1,02 cm3 = 1,02 x 10-6 (m3).
Khối lƣợng viên trung bình của 2 vật liệu: m = 1,25 g. Tỉ trọng trung bình viên vật liệu: ρ = =
= 1225 kg/m3
.
Mơ hình xử lý asen quy mơ phịng thí nghiệm tính tốn đƣợc dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu H1 với asen là 4,4 mg/g và dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu O1 với asen là 3,9 mg/g. Tuy nhiên trong thực tế có nhiều thành phần trong nƣớc ngầm ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý của quá trình hấp phụ của hai loại vật liệu trên, làm giảm dung lƣợng hấp phụ cực đại của hai loại vật liệu đối với asen. Lựa chọn dung lƣợng hấp phụ của hai loại vật liệu với asen trong thực tế là 0,5 mg/g.
Một hệ thống xử lý quy mô phân tán một năm sẽ đƣợc thay lớp vật liệu hấp phụ H1/O1 2 lần, tƣơng đƣơng với 6 tháng thay 1 lần. Số ngày vận hành trong 6 tháng là 22 x 6 = 132 (ngày).
Trong khi với hệ thống xử lý nƣớc ngầm sau q trình làm thống, sục khí cƣỡng bức, lắng và lọc cát có thể loại bỏ tới 80% asen có trong nƣớc ngầm [57], nồng độ asen trong nƣớc ngầm tại hai địa điểm lựa chọn lắp đặt khi chảy tới lớp vật liệu hấp phụ H1/O1 nằm trong khoảng 60 – 80 µg/l. Để đảm bảo an tồn của nƣớc
đầu ra, lựa chọn nồng độ asen sau các giai đoạn làm thống, sục khí, lắng, lọc cát cao hơn so với lý thuyết trên từ 1,5 đến 2 lần là 125 µg/l.
Lƣu lƣợng nƣớc sau xử lý là 2 m3/ngày = 2 x 103 l/ngày.
Khối lƣợng asen cần xử lý bởi lớp vật liệu H1/O1 trong thời gian 6 tháng là: 125 x 10-6 x 2 x 103 x 132 = 33 (g) = 33 x 103 (mg).
Khối lƣợng vật liệu hấp phụ H1/O1 cần sử dụng cho 1 hệ thống xử lý quy mơ phân tán theo tính tốn là: 33 x 103 : 0,5 = 66 x 103 (g) = 66 kg. Lựa chọn khối lƣợng vật liệu hấp phụ H1/O1 cho 1 hệ xử lý nƣớc ngầm quy mô phân tán là 70 kg.
Thể tích vật liệu hấp phụ H1/O1 chiếm chỗ là: V =
=
= 0,0571 (m3). Lấy 15% là khoảng trống giữa các viên vật liệu => Thể tích thực lớp vật liệu lọc là: Vthực=
= 0,0672 (m3).
Chiều cao lớp vật liệu hấp phụ H1/O1 theo tính tốn là: H =
= = 0,34 (m) = 34 cm.
Chọn chiều cao lớp vật liệu hấp phụ H1/O1 trong thiết kế là 40 cm
Lớp than hoạt tính chọn chiều dày lớp than hoạt tính là 200 mm với khối lƣợng là 25 kg, than hoạt tính sử dụng là loại than gáo dừa Việt Nam đƣợc sản xuất bởi công ty Cổ phần Trà Bắc theo ISO 9001:2008, với các cỡ hạt tiêu chuẩn có kích thƣớc d = 0,85 ÷ 2,4 cm. Lớp than hoạt tính có vai trị hấp phụ hữu cơ và làm trong nƣớc, khơng có vai trị xử lý asen. Theo nghiên cứu của Phạm Hoàng Giang (2017) [42] với một hệ thống xử lý nƣớc ngầm đặt tại xã Cự Khê, Hà Nội đã chỉ ra rằng than hoạt tính sử dụng trong nghiên cứu này khơng có khả năng xử lý asen trong nƣớc ngầm trong điều kiện thực tế, một số nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng than hoạt tính thƣơng phẩm có dung lƣợng hấp phụ cực đại với asen là 0,04 – 0,08 mg/g trong điều kiện thí nghiệm [23]. Bản vẽ chi tiết thiết kế của bể lọc hấp phụ đƣợc thể hiện trong hình 3.10.
Hình 3.10. Bản vẽ chi tiết thiết kế của bể lọc hấp phụ
3.3.3 Lắp đặt hệ thống xử lý quy mô phân tán
Sau khi tính tốn thiết kế tiến hành chuẩn bị, tìm mua các thiết bị, vật liệu lọc của hệ xử lý. Các thiết bị sử dụng và vật liệu cần chuẩn bị đƣợc trình bày trong bảng 3.3 và 3.4.
Bảng 3.3. Thiết bị sử dụng trong hệ thống xử lý quy mô phân tán
STT Tên thiết bị Số lƣợng Đặc điểm thiết bị
1 Bơm đầu vào (có sẵn) 1 (chiếc) Là bơm có sẵn của nhà trẻ
2 Dàn mƣa 1 (chiếc)
Thiết kế từ ống nhựa PVC, đƣợc đặt trong lắp bể sục khí.
4 Bể chứa nƣớc đầu vào đồng thời là bể sục khí 1 (bể) Chất liệu: inox, đƣờng kính 420 mm, có lắp đậy. 5 Bể lắng 1 (bể) Chất liệu: inox, đƣờng kính 420 mm, có lắp đậy. 6 Bể lọc 1 (bể) Chất liệu: inox, đƣờng kính 500 mm, có lắp đậy. 7 Lƣu lƣợng kế 1 (chiếc)
8 Giá đỡ bể sục khí 1 (chiếc) Chất liệu: inox
9 Van 10 (chiếc)
Chất liệu: nhựa PVC
10 Cút 90 độ 6 (chiếc)
11 Tê 4 (chiếc)
12 Ống nhựa 10 m
Bảng 3.4. Các loại vật liệu sử dụng trong hệ thống xử lý quy mô phân tán
STT Vật liệu Số lƣợng Chiều dày
1 Sỏi kích thƣớc hạt d = 8 – 16 mm 1 bao 30 kg 100 mm 2 Cát thạch anh kích thƣớc hạt đƣờng kính trung bình dtb = 1,1 mm 1 bao 50kg 300 mm 3 Lớp vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ quặng sắt oxit, sắt hydroxyt 70 kg 400 mm
4 Lớp than hoạt tính 1 bao 25 kg 200 mm
Sau khi chuẩn bị các thiết bị và vật liệu lọc, tiến hành lắp đặt theo sơ đồ mơ hình trình bày ở hình 3.7. Máy bơm đƣợc đặt trong khu vực bố trí trƣớc của các điểm trƣờng mầm non, có mái che tránh mƣa nắng gây hƣ hỏng, một đầu sẽ nối với giếng khoan sẽ, đầu cịn lại lắp vào hệ thống dàn mƣa đặt phía trên bể sục khí, trên
bể sục khí có thể lắp đặt them phao bơm tự động tùy theo u cầu của điểm trƣờng. Máy sục khí có thể đặt cùng vi trí với máy bơm thuận tiện cho việc hoạt động, lắp ống dẫn khí vào hệ thống phân phối khí của bể sục khí. Đầu ra của bể lắng lắp một lƣu tốc kế và van khóa, có nhiệm vụ đo và điều chỉnh vận tốc nƣớc vào bể lọc.
Nƣớc đi từ dƣới lên trên qua các lớp vật liệu trong bể lọc. Cặn bẩn ở đáy sẽ đƣợc xả định kì tránh gây quá tải cho lớp cát và làm mới lại lớp sắt kết tủa. Nƣớc chảy qua các lớp vật liệu lọc sỏi, cát, vật liệu hấp phụ H1 hoặc O1, than hoạt tính, cuối cùng theo ống dẫn vào bể nƣớc sạch.
Hình 3.11. Hệ thống xử lý nƣớc ngầm tại xóm Trại xã Hồng Thái
3.4 Đánh giá hiệu quả xử lý của hai hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm quy mô phân tán mô phân tán
3.4.1 Thông số pH trước và sau vận hành
a. Tại hệ thống xử lý đặt tại điểm trƣờng mầm non xóm 6 xã Hồng Thái
Trong suốt thời gian vận hành hệ thống, thông số pH đƣợc đo tại hiện trƣờng bằng máy đo pH tự động. Kết quả cho thấy, với nguồn nƣớc đầu vào pH thƣờng dao động từ 6,6 đến 7,2. Với mẫu nƣớc đầu ra, pH nằm trong khoảng 7,2 đến 7,8. Hình 3.13 cho thấy thông số pH của hệ trƣớc và sau xử lý.
Hình 3.13. Biểu đồ thể hiện pH trƣớc và sau khi qua hệ xử lý tại xóm 6
Các mẫu nƣớc đƣợc lấy đều có pH nằm trong giới hạn cho phép theo QCVN 01:2009/BYT. Có thể thấy rằng pH của nƣớc sau khi đi qua hệ thống luôn tăng nhẹ.