Nƣớc ngầm đƣợc bơm vào bể sục khí thơng qua hệ thống giàn mƣa. Sau khi nƣớc đƣợc chứa trong bể sục khí, dùng máy sục khí cung cấp liên tục lƣợng khí vào bể, q trình sục diễn ra liên tục với lƣợng khí đƣợc đƣa vào từ máy nén khí đa năng. Các ion sắt (II) bị oxi hóa trở thành sắt (III) hydroxyt.
Sau khi đƣợc sục khí, nƣớc sẽ đi vào bể lắng đứng. Dƣới tác dụng của trọng lực, kết tủa hydoxyt sắt (III) bị lắng xuống phía dƣới đáy. Phần nƣớc trong đi lên trên vào hệ thống lọc chính thơng qua một van và lƣu lƣợng kế để điều chỉnh lƣu lƣợng đầu vào.
Hệ thống lọc chính bao gồm lớp sỏi, lớp cát thạch anh, lớp vật liệu H1 hoặc O1 tùy từng địa điểm lắp đặt và lớp than hoạt tính. Trong bể lọc chính, nƣớc chảy ngƣợc từ dƣới lên, ngƣợc chiều trọng lực, đi qua các lớp lọc cát, lớp vật liệu hấp phụ giàu sắt và lớp than hoạt tính, sau đó đi ra bể chứa nƣớc sạch, phục vụ cho nhu cầu sử dụng của trẻ em và giáo viên tại điểm trƣờng. Lớp sỏi có tác dụng làm giá đỡ, đồng thời ngăn không cho cát rơi vào ống dẫn, tránh tắc đƣờng ống. Lớp cát thạch anh là lớp lọc loại bỏ cặn sắt cịn sót lại và một phần asen. Lớp vật liệu lọc sẽ hấp phụ asen. Lớp than hoạt tính có tác dụng diệt khuẩn, khử mùi, làm trong nƣớc.
b. Các thơng số mơ hình cột lọc xử lý asen trong nƣớc ngầm
Mơ hình xử lý đƣợc thiết kế hoạt động dựa theo nguyên tắc tự hành. Nƣớc sau khi đƣợc bơm từ giếng khoan lên sẽ tự chảy qua các cơng trình xử lý nhờ vào chênh lệch độ cao giữ các cơng trình. Do đó cần phải tính tốn, thiết kế đảm bảo nguyên tắc tự hành của hệ xử lý.
Hệ thống xử lý gồm ba bộ phận chính: bể sục khí, bể lắng và bể lọc chính. Bể lọc chính bao gồm các lớp vật liệu lọc: lớp sỏi, lớp cát, lớp vật liệu hấp phụ H1/O1 và lớp than hoạt tính. Các thiết bị lắp đặt bao gồm bơm đầu vào, máy sục khí, dàn mƣa, các ống nối, van khóa, giá đỡ, lƣu lƣợng kế. Sơ đồ mơ hình hệ xử lý trình bày tại hình 2.7.
Để tính tốn kích thƣớc từng bộ phận của mơ hình, cần dựa vào các cơng thức:
Tính diện tích mặt: F = × π
Tính thể tích: V = Q × t
Tính chiều cao: H =
Trong đó: Q là lƣu lƣợng nƣớc vào t là thời gian lƣu F là diện tích mặt H là chiều cao V là thể tích.
Hình 2.7. Sơ đồ mơ hình hệ xử lý tại 2 điểm trường mầm non
1. Lƣu lƣợng kế 2. Van khóa 3. Máy bơm nƣớc 4. Máy sục khí 5. Bể sục khí 6. Ống sục khí 7. Bể lắng 8. Bể lọc chính
9. Bể chứa nƣớc * Giàn mƣa A. Sỏi B. Cát
C. Vật liệu H1/O1 D. Than hoạt tính
2.3.7 Phương pháp vận hành
Hệ đƣợc vận hành hàng ngày, trừ các thứ 7 và chủ nhật hàng tuần do trƣờng mầm non không làm việc. Hệ thống xử lý có lắp lƣu lƣợng kế và đồng hồ nƣớc tại van đầu ra của bể lọc để kiểm tra lƣu lƣợng cũng nhƣ tính ổn định của hệ. Thời gian vận hành hệ trong ngày là 10 tiếng.
Khi vận hành cần chú ý một số điều sau:
- Quan sát sự hình thành các bơng cặn sắt trong bể sục khí, độ lớn và dày của bơng. Nếu thấy có hiện tƣợng khơng tạo bông cặn sắt khi máy nén khí vẫn hoạt động cần khóa van vào bể lọc – hấp phụ, phải kiểm tra ngay pH của bể cũng nhƣ pH của nƣớc đầu vào để có thể khắc phục ngay, tránh ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý của hệ thống.
- Khi phát hiện nƣớc đầu ra có độ đục tăng cao bất thƣờng, cần dừng hệ để kiểm tra, tìm nguyên nhân và khắc phục ngay.
- Kiểm tra thƣờng xuyên việc phân phối nƣớc và khí đều vào hệ. Kiểm tra và vớt loại bỏ kịp thời rong rêu nếu có.
- Định kì xả đáy và kiểm tra phần bể lắng.
- Ghi đầy đủ thông tin về ngày vận hành của hệ thống xử lý, nhật kí lấy mẫu và vị trí lấy mẫu trong nhật kí vận hành.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả khảo sát chất lƣợng nƣớc và hiện trạng cấp nƣớc của 2 địa điểm lắp đặt hệ xử lý lắp đặt hệ xử lý
Qua điều tra khảo sát thực địa cho thấy các mẫu nƣớc ngầm đƣợc lấy tại xã Hồng Thái, Phú Xuyên, Hà Nội đều có vấn đề về chất lƣợng. Vị trí lấy mẫu và kết quả phân tích các chỉ tiêu trong các mẫu đƣợc lấy tại xã Hồng Thái đƣợc thể hiện trong hình 3.1.
(a)
(c)
Hình 3.1. Vị trí lấy mẫu và kết quả phân tích các mẫu nƣớc tại xã Hồng Thái
Chú thích: (a) Vị trí lấy mẫu nước ngầm tại xã Hồng Thái; (b) Kết quả phân tích nồng độ asen; (c) Kết quả phân tích nồng độ sắt tổng, photphat và amoni; HT1: mẫu nước ngầm lấy tại điểm chính trường mầm non, HT2: mẫu nước ngầm tại điểm trường xóm 6, HT3: mẫu nước ngầm tại điểm trường Duyên Yết, HT4: mẫu nước ngầm tại nhà văn hóa Duyên Trang, HT5: mẫu nước ngầm tại điểm trường xóm 7, HT6: mẫu nước ngầm nhà văn hóa Duyên Yết, HT7: mẫu nước ngầm điểm trường xóm Trại, HT8: mẫu nước ngầm nhà dân thôn Duyên Yết, HT8.1: mẫu nước trong bể nước mưa nhà dân thôn Duyên Yết, HT9: mẫu nước ngầm nhà dân thôn Duyên Trang, HT9.1: mẫu nước trong bể nước mưa nhà dân thôn Duyên Trang, HT10: mẫu nước ngầm nhà dân thôn Lạt Dương, HT10.1: mẫu nước trong bể nước mưa nhà dân nhà dân thôn Lạt Dương.
Theo khảo sát điều tra nhanh tại địa phƣơng (50 hộ gia đình tồn xã) cho kết quả 100% số hộ gia đình có khoan giếng và sử dụng nƣớc giếng khoan để sinh hoạt. Tất cả các hộ gia đình đều có bể chứa nƣớc mƣa, chỉ sử dụng cho mục đích ăn uống, tuy nhiên theo các hộ gia đình, lƣợng nƣớc mƣa không đủ sử dụng trong năm do nhiều nguyên nhân nhƣ bể chứa nhỏ, không lắp đặt hệ thống thu nƣớc mƣa từ mái nhà... Một số hộ gia đình bơm nƣớc giếng khoan qua hệ thống lọc cát và cho chảy vào bể nƣớc mƣa khi thấy lƣợng nƣớc mƣa trong bể ít và sử dụng nƣớc này cho ăn uống.
Tại thời điểm khảo sát các hộ gia đình sử dụng nƣớc giếng khoan qua hệ thống lọc thô sơ chảy vào bể nƣớc mƣa để sử dụng ăn uống, tiến hành lấy mẫu nƣớc giếng khoan và mẫu nƣớc tại bể nƣớc mƣa để phân tích. Kết quả phân tích cho thấy mẫu nƣớc ngầm tại 2 hộ gia đình ở thơn Dun Yết và Lạt Dƣơng có nồng độ asen tổng vƣợt mức cho phép theo QCVN 02:2009/BYT nhiều lần, cụ thể là ở gia đình tại thơn Dun Yết mẫu nƣớc ngầm có nồng độ asen tổng là 307 µg/l, mẫu nƣớc ngầm của gia đình tại thơn Lạt Dƣơng là 211 µg/l, cả 2 mẫu nƣớc đều có nồng độ asen vƣợt quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT. Trong khi đó mẫu nƣớc mƣa phục vụ ăn uống tại thời điểm lấy mẫu của 2 hộ gia đình này có nồng độ asen tổng cũng khơng đạt quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc ăn uống QCVN 01:2009/BYT. Nguyên nhân do thời điểm tiến hành lấy mẫu, 2 hộ gia đình đã bơm nƣớc giếng khoan qua lọc thô sơ vào bể chứa nƣớc mƣa, do lƣợng nƣớc mƣa trong bể không đủ phục vụ nhu cầu ăn uống.
7 mẫu nƣớc ngầm còn lại đƣợc tiến hành lấy mẫu tại các địa điểm là 6 điểm trƣờng mầm non và nhà văn hóa các thơn (thơn Lạt Dƣơng nhà văn hóa khơng có giếng khoan và 1 điểm trƣờng mƣợn nhà văn hóa Duyên Yết để sinh hoạt). Kết quả phân tích cho thấy ngồi điểm trƣờng chính, các điểm trƣờng cịn lại đều có nồng độ asen tổng trong nƣớc ngầm vƣợt mức cho phép nhiều lần, nằm trong khoảng 216 đến 466 µg/l trong đó điểm trƣờng xóm Trại, xóm 6 và xóm 7 là 3 điểm trƣờng ơ nhiễm asen trong nƣớc ngầm nặng nhất. Mẫu nƣớc ngầm tại nhà văn hóa thơn Dun Trang kết quả phân tích khơng phát hiện thấy asen trong mẫu nƣớc ngầm tại đây. Ngoài asen, trong nƣớc ngầm tại các điểm trƣờng và nhà văn hóa có nồng độ sắt vƣợt mức cho phép theo QCVN 01:2009/BYT.
Ngoài ra kết quả phân tích về hàm lƣợng của amoni cho thấy một số vị trí lấy mẫu bao gồm nhà văn hóa Duyên Trang, nhà văn hóa Duyên Yết, điểm trƣờng mầm non xóm 7, nhà dân tại thơn Dun Yết có nồng độ amoni vƣợt quá mức cho phép của QCVN 01:2009/BYT (3 mg/l). Trong khi đó kết quả phân tích về thơng số photphat trong các mẫu nƣớc cho thấy nồng độ photphat trong các mẫu nƣớc ngầm
tại đây ở mức thấp, mẫu phân tích có hàm lƣợng cao nhất là mẫu nƣớc ngầm nhà văn hóa Duyên Trang với nồng độ 2 mg/l.
Tiêu chí lựa chọn địa điểm lắp đặt và vận hành hệ thống
Các tiêu chí nhằm lựa chọn địa điểm lắp đặt hệ thống bao gồm:
- Có nguồn ơ nhiễm asen trong nƣớc ngầm cao. Theo kết quả điều tra của Trung tâm nƣớc sạch và vệ sinh môi trƣờng Hà Nội năm 2016 và kết quả phân tích bổ sung đƣợc trình bày ở trên, nồng độ asen cao đƣợc lựa chọn ở đây là nồng độ trong khong 350 ữ 450 àg/l;
- Chƣa có hệ thống cấp nƣớc tập trung hoặc hệ thống cấp nƣớc hoạt động không hiệu quả chƣa đáp ứng đƣợc nhu cầu;
- Các cơng trình cơng ích (nhƣ trạm y tế, trƣờng mẫu giáo...) sử dụng nƣớc ngầm và có nhu cầu sử dụng nƣớc phù hợp với công suất 2 m3/ngày nhƣng chƣa có hệ thống xử lý nƣớc đạt yêu cầu hoặc sử dụng trực tiếp nƣớc giếng khoan nhiễm asen.
Từ các tiêu chí trên, tơi lựa chọn 2 địa điểm để lắp đặt hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm, sử dụng cho nƣớc ăn uống là điểm trƣờng mầm non xóm 6 (sử dụng vật liệu từ quặng sắt oxit O1) và điểm trƣờng mầm non xóm Trại (sử dụng vật liệu từ sắt hydroxyt H1).
3.2 Đánh giá khả năng hấp phụ asen của 2 vật liệu đƣợc chế tạo từ nguyên liệu giàu sắt quy mơ phịng thí nghiệm liệu giàu sắt quy mơ phịng thí nghiệm
3.2.1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ asen của 2 loại vật liệu trong điều kiện thí nghiệm mẻ
Hình 3.2. Ảnh hƣởng của pH đến khả năng hấp phụ asen của 2 vật liệu
Ảnh hƣởng của pH đến hiệu suất hấp phụ asen của hai mẫu vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ quặng sắt oxit và sắt hydroxit đƣợc thể hiện trên hình 3.2. Theo đó, khoảng pH tối ƣu để hấp phụ của vật liệu H1 là trong khoảng từ 5 - 8, đối với vật liệu O1 là 6 - 8. So sánh với kết quả nghiên cứu trƣớc đây của nhóm tác giả Phạm Hồng Giang (2017) [42] về 2 loại vật liệu này đƣợc khảo sát ở kích thƣớc bột và hạt (1 – 2 mm) cho thấy giá trị pH tối ƣu của hai loại vật liệu không thay đổi khi ở dạng viên và dạng bột hay dạng hạt nhỏ (1 – 2 mm), khoảng giá trị pH tối ƣu đều nằm trong khoảng từ 5 -8. Thông thƣờng, pH của nƣớc ngầm là 6,0 -8,5, do vậy hai loại vật liệu đƣợc chế tạo trên phù hợp để xử lý asen trong nƣớc ngầm.
3.2.2 Khả năng xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm trong điều kiện dòng chảy liên tục điều kiện dòng chảy liên tục
a. Ảnh hƣởng chiều cao của lớp vật liệu tới khả năng xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm trong điều kiện dịng chảy liên tục
Kết quả phân tích asen tại các van lấy mẫu theo chiều cao lớp vật liệu sau các khoảng thời gian đƣợc thể hiện ở hình 3.3.
(a)
(b)
Hình 3.3. Nồng độ asen ở các van nƣớc ra có chiều cao khác nhau
Chú thích: (a) Cột lọc với vật liệu H1 (b) Cột lọc với vật liệu O1
Van 2: tƣơng ứng với chiều dày lớp vật liệu 50 mm. Van 3: tƣơng ứng với chiều dày lớp vật liệu 200 mm. Van 4: tƣơng ứng với chiều dày lớp vật liệu 350 mm.
Theo kết quả trên, ở cả 2 cột vật liệu, tại cùng một thời điểm khảo sát thì nồng độ asen tại các vị trí van khác nhau là khác nhau, chúng giảm dần theo chiều cao lớp vật liệu hấp phụ từ van số 2 (tƣơng ứng với độ cao lớp vật liệu là 50 mm) tới van số 4 (tƣơng ứng lớp vật liệu là 350 mm). Nồng độ asen tại van số 2 cao hơn
rất nhiều so với nồng độ asen ở van số 4 tại cùng một thời điểm khảo sát ở cả hai cột vật liệu.
Tại thời gian khảo sát là 4 giờ ở cột vật liệu H1, nồng độ asen (V) tại van số 2 là 302 µg/l (hiệu quả xử lý là 40,43%), van số 3 là 78 µg/l (hiệu quả xử lý đạt 84,62%), van số 4 là 6 µg/l (hiệu quả xử lý đạt 98,81%).
Tại thời điểm khảo sát sau 4 giờ ở cột vật liệu O1, nồng độ asen (V) tại thời điểm này ở van số 2 là 351 µg/l (hiệu quả xử lý đạt 30,77%), van số 3 là 85 µg/l (hiệu suất xử lý đạt 83,23%) van số 4 là 5 µg/l (hiệu suất xử lý đạt 99,01%).
Có thể thấy rằng ở cả 2 cột vật liệu, tại van số 4 trong các thời điểm khảo sát nồng độ asen trong các mẫu nƣớc là nhỏ nhất và nhỏ hơn 10 µg/l (phù hợp với yêu cầu của QCVN 01:2009/BYT). Vì vậy giữ nguyên chiều cao 2 cột lọc để tiếp tục tiến hành thí nghiệm lấy mẫu và phân tích mẫu ở van số 4 tại các thời điểm tiếp theo để khảo sát và tính tốn dung lƣợng hấp phụ cực đại, thời gian hấp phụ 50% asen của 2 loại vật liệu trong điều kiện phịng thí nghiệm.
b. Ảnh hƣởng thời gian tới khả năng xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm trong điều kiện dịng chảy liên tục
Từ kết quả khảo sát, xây dựng đồ thị biểu hiện hiệu suất hấp phụ asen của hai loại vật liệu H1 và O1 theo thời gian trong điều kiện dòng chảy liên tục với chiều cao lớp vật liệu là 35 cm (mẫu lấy tại van số 4). Nồng độ asen đầu vào tiến hành thí nghiệm cho cả hai loại vật liệu H1 và O1 là 507 µg/l.
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 –