CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.2 Khảo sát điều tra thực địa
Các xã Thụy Phú, Hồng Thái, Nam Phong, Văn Nhân, Nam Triều là nơi có tình trạng ơ nhiễm asen trong nƣớc ngầm nặng nhất của huyện Phú Xuyên. Xã Hồng Thái nằm về phía đơng của trung tâm huyện Phú Xuyên, dọc theo tuyến đê hữu sơng Hồng, phía Nam giáp xã Khai Thái, phía Đơng giáp Sơng Hồng, phía Tây giáp xã Nam Triều, phía Bắc giáp xã Thụy Phú, bản đồ địa chính xã đƣợc thể hiện trên hình 2.3. Diện tích tự nhiên của xã Hồng Thái là 856 ha, đƣợc phân chia thành 3 thôn: Duyên Yết, Duyên Trang và Lạt Dƣơng. Dân số hiện nay trên địa bàn xã hơn 8.000 ngƣời, sinh sống đều ở cả 3 thơn.
Hình 2.1. Bản đồ địa chính xã Hồng Thái
Dự án cấp nƣớc sạch qua các xã tại huyện Phú Xuyên là một trong 6 dự án cấp nƣớc sạch liên xã tại các vùng có nguồn nƣớc bị ơ nhiễm nặng đƣợc thành phố Hà Nội ƣu tiên thực hiện, nhƣng đến nay vẫn chƣa hoạt động. Kết quả khảo sát cho thấy, các thôn Duyên Yết và Lạt Dƣơng của xã Hồng Thái bị ô nhiễm asen rất nặng với nồng độ dao động trong khoảng 200-500 µg/l. Do đó, những hệ thống xử lý nƣớc phân tán là rất cần thiết để đảm bảo sức khỏe của ngƣời dân.
Do đặc thù địa bàn rộng, Trƣờng mầm non xã Hồng Thái có tất cả 6 điểm trƣờng, trong đó có 3 điểm trƣờng thuộc 2 thôn Duyên Yết và Lạt Dƣơng bị ô nhiễm asen. Vì vậy việc lựa chọn điểm trƣờng mầm non xóm 6 (thơn Lạt Dƣơng) và điểm trƣờng mầm non xóm Trại (thơn Dun Yết) là phù hợp. Đây là hai điểm trƣờng khó khăn nhất về vấn đề nƣớc sạch so với các điểm trƣờng khác trong xã. Hiện tại điểm trƣờng xóm 6 có 76 cháu (thuộc 3 lớp) và 7 giáo viên, điểm trƣờng xóm Trại có 42 cháu và 3 giáo viên (thuộc 2 lớp), tuy nhiên toàn bộ nƣớc cung cấp cho quá trình nấu nƣớng phục vụ các bữa ăn trong ngày cho các cháu đều phải phụ thuộc vào điểm trƣờng chính tại thơn Dun Trang, cịn nƣớc uống phục vụ các cháu là nƣớc đóng bình cũng đƣợc trƣờng chính đặt mua và vận chuyển xuống các điểm trƣờng. Các hoạt động khác nhƣ tắm giặt hay vệ sinh cá nhân của các cháu mầm non đều từ nƣớc ngầm bơm trực tiếp mà không qua bất kỳ một hệ thống xử lý nào.
Dựa theo kết quả phân tích mẫu nƣớc 1218 cơng trình cấp nƣớc nhỏ lẻ quy mơ hộ gia đình nơng thơn Hà Nội năm 2016 của Trung tâm quốc gia nƣớc sạch và vệ sinh môi trƣờng nông thôn, tôi tiến hành khảo sát phỏng vấn nhanh về tình hình sử dụng nƣớc ngầm của 50 hộ gia đình trong tồn xã và lấy mẫu nƣớc ngầm tại tất cả các điểm trƣờng mầm non, nhà văn hóa và một số hộ dân tại các thơn để phân tích.
2.3.3 Phương pháp chế tạo vật liệu giàu sắt hấp phụ asen
Kế thừa nghiên cứu của tác giả Phạm Hoàng Giang và các cộng sự (2017) [42] hai loại vật liệu đƣợc chế tạo theo các bƣớc nhƣ sau.
Bước 1: Cân và phối trộn vật liệu:
Cân chính xác các thành phần theo các tỉ lệ phối trộn khác nhau với thành phần chính là quặng sắt hoặc sắt (III) hydroxit để tạo thành 2 loại vật liệu hấp phụ asen theo bảng 2.1, trong đó, phụ gia 1 và 2 là 2 loại đất khoáng sét để tạo độ kết dính và độ xốp của vật liệu và giúp vật liệu có tính bền sau nung.
Bảng 2.1. Bảng tỷ lệ phối trộn vật liệu (theo % khối lượng)
Vật liệu Quặng sắt Sắt (III) hydroxit Nhôm hydroxit Chất phụ gia 1 Chất phụ gia 2 Cao lanh H1 40% 10% 7,5% 18,5% 24% O1 40% 10% 7,5% 18,5% 24%
(O1- Vật liệu chế tạo từ quặng sắt oxit; H1- Vật liệu chế tạo từ hydroxit sắt (III))
Hydroxyt sắt III Quặng sắt oxit
Trong đó quặng sắt oxit đƣợc nhập từ nhà máy sản xuất sắt xốp Mirec Cao Bằng, đƣợc nghiền nhỏ và rây qua rây có kích thƣớc lỗ 200 mesh (0,074 mm). Sắt (III) hydroxyt công nghiệp nhập từ công ty trách nhiệm hữu hạn thƣơng mại dịch vụ Phƣớc Tƣờng. Cao lanh có nguồn gốc từ Bát Tràng, Hà Nội. Hai chất phụ gia là hai loại đất sét đƣợc khai thác tại An Lão, Hải Phịng và Thanh Hóa. Các ngun liệu gồm cao lanh và hai chất phụ gia đƣợc phơi khơ, nghiền nhỏ và sang qua rây kích thƣớc lỗ 0,5 x 0,5 mm.
Bước 2: Tạo viên vật liệu:
Sử dụng máy dập viên để tạo vật liệu viên có đƣờng kính 1 cm, chiều dài từ 1 – 1,5 cm. Vật liệu sau ép viên để khô tự nhiên hoặc sấy ở 50o
C trong 24 h. Viên sau khi ép cần có độ chắc, khơng có hiện tƣợng nứt hoặc quá giòn (do thiếu độ ẩm).
Bước 3: Nung vật liệu:
Tăng nhiệt từ từ từ 25o
C đến 300oC với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút và giữ nhiệt độ này trong 30 phút, sau đó tiếp tục tăng nhiệt độ lên 500oC với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút và giữ nhiệt độ nung trong 10 tiếng.
Trong quá trình nung chú ý cần đƣợc thốt khí trong suốt giai đoạn, cũng nhƣ tuân thủ đúng các bƣớc gia nhiệt, đảm bảo cho vật liệu không giãn nở đột ngột gây nứt vỡ hay không đảm bảo yêu cầu.
Bước 4: Ổn định kích thước vật liệu:
Vật liệu sau khi nung để nguội tự nhiên trong lò tránh sốc nhiệt gây nứt vỡ viên vật liệu sau nung. Sau khi mang vật liệu ra khỏi lò, loại bỏ các viên vật liệu vỡ, nứt, khơng đảm bảo u cầu về kích thƣớc cũng nhƣ yêu cầu kĩ thuật.
Vật liệu O1 Vật liệu H1
Một số đặc điểm của hai loại vật liệu hấp phụ H1 và O1 đã đƣợc khảo sát: độ xốp 20 – 25%, khối lƣợng riêng 1,1 – 1,6 g/cm3, dung lƣợng hấp phụ tĩnh cực đại đối với asen lớn hơn 30 mg/g với cả 2 loại vật liệu [42]. Ảnh chụp SEM và XRD của vật liệu H1 và O1 đƣợc trình bày ở phụ lục cho thấy bề mặt thành phần của 2 loại vật liệu. Ảnh chụp SEM cho thấy vật liệu H1 và O1 có các hốc lớn xen kẽ với các thành, các thành đƣợc cấu tạo bởi các tầng xếp chồng lên nhau bởi các tấm dài. Các tấm có bề mặt nhám, kích thƣớc và có diện tích bề mặt gần nhƣ nhau. Đặc điểm bề mặt này cho thấy hai loại vật liệu này có độ xốp cao, và có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn [42].
2.3.4 Đánh giá hiệu quả xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm
a. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả hấp phụ của hai loại vật liệu
Lƣợng vật liệu sử dụng là 5 g trong 50 ml dung dịch asen (V) nồng độ 500 µg/l. Mặc dù asen trong nƣớc ngầm tồn tại dƣới dạng asen (III), asen (V), asen hữu cơ nhƣng thí nghiệm sử dụng asen (V) để tiến hành khảo sát bởi lý do ở giai đoạn sục khí cƣỡng bức phần lớn asen trong nƣớc ngầm bị oxi hóa thành asen (V). Quá trình hấp phụ của vật liệu đƣợc khảo sát ở pH từ 2 đến 10. Điều chỉnh pH của dung dịch hấp phụ bằng các dung dịch HCl 0,02N, NaOH 0,02N và NaCl 0,02N. Hút hỗn hợp dung dịch HCl 0,02N (hoặc NaOH 0,02N) + dung dịch NaCl 0,02N có tổng thể tích là 45ml và hút 5ml asen (V) 5 mg/l và 5 g vật liệu dạng viên cho vào bình tam giác 100 ml. Tiến hành đo pH và sau đó lắc các bình tam giác với tốc độ 150 vòng/phút trong 2 giờ. Tiếp theo tiến hành lọc dung dịch bằng giấy lọc và thu dung dịch đã lọc để tiến hành phân tích nồng độ asen sau khi hấp phụ. Từ kết quả đó, xác định đƣợc pH tối ƣu để hấp phụ asen của vật liệu dạng viên để đánh giá hai loại vật liệu có khả năng áp dụng xử lý nƣớc ngầm nhiễm asen ngoài thực tế.
b. Đánh giá khả năng xử lý asen của mơ hình xử lý trong điều kiện dịng chảy liên tục
Mơ hình quy mơ phịng thí nghiệm là các cột lọc làm từ ống nhựa trong suốt có đƣờng kính trong 92 mm. Cột vận hành theo nguyên lý lọc ngƣợc, có van 1 dẫn nƣớc (dung dịch asen) vào cách đáy 50 mm và van 2, 3, 4 xả nƣớc ra, mỗi van xả
nƣớc tƣơng ứng với các chiều cao vật liệu giàu sắt khác nhau (van số 2 tƣơng ứng với 50 mm chiều cao vật liệu, van số 3 tƣơng ứng với 200 mm chiều cao vật liệu, van số 4 tƣơng ứng với 350 mm chiều cao vật liệu). Sử dụng bơm nhu động để hút dung dịch asen (V) từ bình chứa đến cột lọc. Lƣu ý vật liệu phải đƣợc ngâm ngập trong nƣớc cất trong ít nhất 8 giờ để đuổi khí trƣớc khi tiến hành thí nghiệm.
Diện tích tiết diện cột:
F = r2 = * 462 = 6,65x10-3 (m2) = 66,5 cm2 Q = 15 l/ngày = 0,625 l/h = 0,01 l/phút = 10 ml/phút
Chiều chuyển động của nƣớc trong bình hình trụ: Nƣớc từ dƣới đi lên trên với vận tốc v = Q / F =
= 0,94 x 10-3 (l/cm2.h) = 0,0157 (ml/cm2.phút)
Nhồi vật liệu cột lọc:
Chuẩn bị sẵn 2 cột mica sạch để tiến hành nhồi vật liệu tạo 2 cột lọc với 2 loại vật liệu hấp phụ giàu sắt khác nhau H1 và O1 cho từng cột. Với từng cột nhồi 1 lớp sỏi (đã rửa sạch và phơi khô) cao 50 mm ở đáy cột, tiếp đến là các lớp viên vật liệu hấp phụ giàu sắt (lƣu ý tất cả các lớp vật liệu phải đƣợc ngâm ngập trong nƣớc cất trong ít nhất 8 giờ để đuổi khí trƣớc khi tiến hành thí nghiệm). Tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu với dung dịch As(V) nồng độ 500 µg/l với tốc độ dịng = 10 ml/phút. Tại vị trí cách đáy 10, 25, 40 cm (tƣơng ứng với 5, 20, 35 cm chiều cao lớp vật liệu giàu sắt) đặt các van số 2, 3, 4 để tiến hành lấy mẫu và phân tích chỉ tiêu asen.
Tổng khối lƣợng vật liệu đƣợc nhồi trong cột là 4 kg.
* Khảo sát ảnh hƣởng chiều cao lớp vật liệu giàu sắt đến quá trình hấp phụ asen trong điều kiện dịng chảy liên tục
Lấy mẫu ở các van xả đầu ra 2, 3 và 4 ở các thời điểm khác nhau trong 4 giờ đầu tiên. Mẫu đƣợc đem đi phân tích hàm lƣợng asen để khảo sát ảnh hƣởng của chiều cao của 2 loại vật liệu này tới hiệu quả xử lý asen.
* Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới quá trình hấp phụ asen của hai loại vật liệu trong điều kiện dòng chảy liên tục
Lấy mẫu nƣớc tại van số 4 ở các thời điểm khác nhau. Mẫu đƣợc phân tích hàm lƣợng asen để tính tốn hiệu suất hấp phụ, dung lƣợng hấp phụ cực đại và thời gian hấp phụ 50% asen theo mơ hình hấp phụ động Thomas và Yoon – Nelson, từ đó áp dụng vào tính tốn và thiết kế hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm quy mơ phân tán.
Hình 2.4. Mơ hình xử lý asen quy mơ phịng thí nghiệm
Hình 2.5. Hai cột vật liệu tiến hành đánh giá khả năng xử lý asen của mơ hình quy mơ phịng thí nghiệm
Mơ hình Thomas
Mơ hình Thomas dựa trên giả thiết cho rằng quá trình hấp phụ tn theo mơ hình động học bậc 2 và mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, đồng thời Thomas cũng bỏ qua quá trình chuyển khối bên trong và bên ngồi của chất hấp phụ. Do đó tốc độ q trình khuếch tán đƣợc quyết định bởi phản ứng trên bề mặt giữa chất bị hấp phụ và dung lƣợng chƣa bị sử dụng của chất hấp phụ.
Phƣơng trình có dạng tuyến tính: Ln(Ce Co - 1) = KTqoM Q - KTCoV Q (1) Hoặc: Ln(Ce Co - 1) = KTqoM Q - KTCot (2) (với t = V/Q) Trong đó:
Co, Ce: Nồng độ đầu vào và đầu ra của dung dịch hấp phụ (mg/l) qo : dung lƣợng hấp phụ cực đại (mg/g)
M: khối lƣợng chất hấp phụ (g) Q: tốc độ dịng chảy (ml/phút)
V: lƣợng thể tích chảy qua cột hấp phụ (ml) KT: hằng số tốc độ Thomas (ml/phút/mg)
Xây dựng đồ thị biểu sự phụ thuộc của ln[(Co/Ce) - 1) và V (theo phƣơng trình 1) hoặc ln[(Co/Ce) – 1] vào t (theo phƣơng trình 2), ta sẽ xác định đƣợc các hệ số trong phƣơng trình.
Mơ hình Yoon - Nelson
Mơ hình này dựa trên giả thiết cho rằng độ giảm tốc độ của quá trình hấp phụ tỉ lệ với tỉ số giữa nồng độ sau khi hấp phụ và nồng độ ban đầu của chất chƣa hấp phụ. Phƣơng trình Yoon – Nelson có dạng:
Ce Co =
1
1 + exp[KYN(τ - t)] (3) Phƣơng trình có dạng tuyến tính:
ln Ce
Co - Ce = KYNt – τKYN (4) Trong đó:
Co, Ce: nồng độ đầu vào và đầu ra của dung dịch hấp phụ (mg/l) KYN: hệ số tốc độ (phút-1)
τ: Thời gian để hấp phụ 50% chất bị hấp phụ (phút) t: thời gian (phút)
Mơ hình Yoon – Nelson khơng chỉ đơn giản hơn các mơ hình khác mà các tham số trong mơ hình cũng khơng địi hỏi chi tiết về các tính chất của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, cũng nhƣ các tham số của mơ hình hấp phụ dạng tĩnh. Từ phƣơng trình (4), xây dựng đồ thị phụ thuộc ln[Ce/(Co – Ce)] vào (t) ta xác định
đƣợc các hệ số trong phƣơng trình động học Yoon – Nelson.
2.3.5 Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu
Tại phịng thí nghiệm và hiện trƣờng thực tế, các mẫu phân tích đƣợc lấy và bảo quản theo đúng TCVN 6663-3 : 2008.
Tại khu vực khảo sát để lắp đặt hệ thống xử lý, các mẫu phân tích đƣợc lấy tại các địa điểm khác nhau. Các địa điểm đƣợc lấy mẫu là những nơi sử dụng nƣớc giếng khoan, không đƣợc tiếp cận với nguồn nƣớc sạch để tiến hành đánh giá, lựa chọn địa điểm lắp đặt phù hợp.
Tại địa điểm lắp đặt hệ thống xử lý, các mẫu phân tích đƣợc lấy tại 2 vị trí gồm mẫu nƣớc giếng khoan và mẫu nƣớc sau khi qua hệ thống xử lý.
Mỗi mẫu nƣớc đƣợc lấy có kí hiệu riêng để dễ dàng phân biệt. Sau khi lấy mẫu phân tích, dùng axit HClaxit hóa mẫu tại chỗ, sau đó mẫu đƣợc đem đi phân tích chất lƣợng về các chỉ tiêu As, Fe, Mn, PO43- tại Viện Khoa học Địa chất và Khoáng sản Việt Nam.
Phƣơng pháp phân phân tích đƣợc sử dụng là phƣơng pháp phổ phát xạ nguyên tử. Nồng độ các ion kim loại trong dung dịch đƣợc xác định bằng phƣơng pháp phổ phát xạ nguyên tử OES sử dụng Plasma cao tần cảm ứng ICP trên thiết bị ICP– OES (Inductive Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy).
ICP là nguồn năng lƣợng đƣợc dùng làm nguồn kích thích cho phƣơng pháp phân tích phổ phát xạ đang đƣợc ứng dụng phổ biến và có hiệu quả cao. Nguồn năng lƣợng này sử dụng khí argon và có thể đạt tới nhiệt độ 8000ºC. Với plasma này, mọi nguyên tố kim loại đều bị kích thích để tạo ra phổ phát xạ của nó, đảm bảo phép phân tích có độ nhạy rất cao. Bên cạnh đó, ICP có độ ổn định cao nên cho sai số rất nhỏ, tốc độ phân tích cao và có thể định lƣợng đƣợc đồng thời nhiều nguyên tố. Nguyên tắc của phép đo phổ phát xạ nguyên tử (OES):
- Mẫu phân tích cần đƣợc chuyển thành hơi (khí) của nguyên tử trong môi trƣờng kích thích, dùng nguồn năng lƣợng phù hợp để kích thích đám hơi đó để chúng phát xạ.
- Thu và ghi các tín hiệu cƣờng độ phổ phát xạ của mẫu nhờ máy quang phổ. - Đánh giá phổ đã ghi về mặt định tính, định lƣợng theo yêu cầu.
2.3.6 Phương pháp tính tốn thiết kế mơ hình
a. Thiết kế mơ hình hệ xử lý thực tế
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, quá 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