Châm hóa chất Ơxy hóa
Bồn 1 Bån 2 Bån 3
Bån 1 : Đựng hóa chất Ơxy hóa Bồn 2 : Đựng hóa chất hỗn hợp As, Mn, NH Bån 3 : §ùng hãa chất cồn 4 + b e g 01 02 03 04 05 06 07 08 09 Châm húa cht cn N-c u vo Đ-ờng n-íc §-êng khÝ §-êng hãa chÊt
Xả cặn a Châm hóa chất hỗn hợp c d f h Hình 2.2. Mặt cắt đứng hệ pilot Ghi chú:
2.1.2. Thuyết minh cơng nghệ
(1) Thiết bị làm thống (injector)
Nước ngầm được bơm qua bộ injector nhằm mục cấp đích cấp oxi cung cấp cho q trình oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ ở công đoạn phản ứng sau. Nước sau khi qua injector được đi qua sàn tung nhằm loại bỏ chất gây mùi, CO2 có trong nước ngầm, tăng pH.
Hóa chất được cấp thêm qua vị trí injector theo 2 đường ống : - Ống hóa chất hỗn hợp dung dịch NH4Cl, Mn, As
- Ống chứa chất oxi hóa ( KMnO4 hoặc Javen)
Bơm nước được thiết kế có thể bơm hồi lưu, có khóa điều chỉnh lưu lượng nước đầu vào và có đồng hồ đo lưu lượng để điều chỉnh lưu lượng cho chính xác.
Hình 2.3. Bơm cấp
(2) Bể phản ứng
Nhằm tạo điều kiện cho phản ứng oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) xảy ra tốt nhất, Fe(III) tồn tại là những bông cặn hydroxit sắt. Thời gian phản ứng là thay đổi tùy thuộc vào hàm lượng sắt và pH của nguồn nước ngầm, nhưng thông thường lấy khơng dưới 30 phút.
Hình 2.5. Bể phản ứng
(3) Bể lắng lamen
Hỗn hợp nước và bông keo (hydroxyt Fe(III)) đi qua bể lắng (lắng lamen) nhằm loại bỏ phần lớn cặn ra khỏi nguồn nước.
Hình 2.6. Bể lắng và tấm lắng lamen
Mặt chiết đứng Mặt cắt chiếu đứng
3 loại vật liệu dùng cho bể lọc cát Sỏi: cỡ ~100mm
Cát thạch anh: 0.8÷2mm
Cát phủ Mn: 0.8÷2mm Mặt cắt chiếu bằng(chụp thu nước) Hình 2.7. Bể lọc cát và vật liệu ( hình E,F, G, H)
Chức năng của bể lọc nhanh
- Giữ lại cặn trên bề mặt vật liệu bằng trọng lực
Cấu tạo và các thông số của bể lọc nhanh.
- Diện tích bể lọc S = 0,36 m2, - Kích thước của bể: 0,6 m, - Chiều cao bể lọc: 2,5 m Trong đó vật liệu lọc là:
+ Lớp sỏi đỡ (lớp đỡ dưới cùng): chiều cao 100 mm, kích thước 200 – 500mm, tỉ khối 1600kg/m3
+ Lớp cát thạch anh (lớp trên lớp sởi đỡ) : chiều cao 80 mm, kích thước 5mm; tỉ khối 1450kg/m3
+ Lớp cát thạch anh: Chiều cao 670mm, kích thước 0.8÷2mm; tỉ khối 1400kg/m3 + Cát phủ Mn: chiều cao 500mm, kích thước 0.8÷2mm, tỉ khối 1300kg/m3
- Chọn số chụp lọc thu nước trên sàn đỡ vật liệu lọc các ống nhựa được ghép như hình (H), kích thước ống θ=60mm
Các cơng đoạn từ (1) -> (4) được chế tạo dưới dạng thiết bị và chỉ thực hiện cho quá trình loại bỏ Sắt, Man gan, một phần As (theo thống kê ~ 70 % hàm lượng Asen được loại bỏ đồng thời trong quá trình xử lí Sắt và Mangan). Khi xử lí Mn chỉ cần thay vật liệu lọc cát thạch anh bằng vật liệu cát phủ Mn.
(5) Bể nitrat hóa
Nếu trong nước ngầm có ơ nhiễm đồng thời cả Amơni thì sau bể lọc nhanh nước sẽ tiếp tục tự chảy qua bể nitrat hóa. Ở đây, amơni (NH4+) chuyển hóa thành nitrat (NO3-) khi có mặt của oxi. Oxi ở đây được cấp thông qua injector bằng bơm tuần hồn nội, hoặc cấp khí bằng máy thổi khí cạn với hệ thống phân phối khí tinh dưới đáy bể nitrat. Số lượng bể nitrat ở đây là 01 bể.
+ Diện tích bể 0,36 m2 + Kích thước của bể: 0,6 m3
Nguyên lý của bể nitrat hóa
Bể nitrat hóa là bể chuyển hóa amoni (NH4+) thành nitrat (NO3-) bởi vi sinh khi có đủ các điều kiện mơi trường thuận lợi. Kĩ thuật vi sinh ở đây là dạng giả tầng sôi “moving bed” tức là vi sinh sẽ được cố định lên vật mang (chọn vật mang là vật liệu polyuretan kích thước trung bình 10x10x10 mm; mà ở đó vật mang được duy trì ở trạng thái lơ lửng bởi dịng khí cấp vào cho q trình sinh học. Oxy được cấp bằng máy thổi khí cạn với hệ thống phân phối khí tinh dưới đáy bể nitrat.
Bể nitrat trong thiết kế
vật liệu mang vi sinh
(6) Bể khử nitrat
Nước từ bể nitrat tự chảy sang bể khử nitrat. Ở đây là kĩ thuật lọc sinh học với lớp vi sinh dính bám trên vật liệu mang cố định, ví inh khử nitrat sẽ chuyển hóa NO3- thành N2. Bước này được thực hiện riêng rẽ trong 01 bồn phản ứng
Bể khử nitrat
vật liệu mang vi sinh Phân phối nước trong bể Hình 2.9. Bể khử và vật liệu mang vi sinh
Chức năng của bể khử
Chuyển hóa nitrat thành nito và vào khí quyển nhờ hoạt động của vi khuẩn bám trên vật liệu mang kezamic.
Cấu tạo của bể nitrat hóa
- Diện tích bể 0,36 m2 - Kích thước của bể: 0,6 m3 - Vật liệu:
+ Lớp sỏi đỡ: Kích thước 5mm, chiều cao 150mm + Lớp vật liệu mang kezamic: chiều cao h=1400mm
Thể tích VVL = h*S=1,4*0,36 =0,504m3
Vận hành bể khử
Nước từ bể nitrat sang bể khử, tại đây, bố trí sẵn một máng phân phối nước kết hợp cấp thêm dinh dưỡng vào bể (cồn C2H5OH – dinh dưỡng cấp thêm cho vi sinh hoạt động tốt nhất). Nước và cồn chảy qua lớp vật liệu mang vi sinh, tại đó xảy ra q trình chuyển hóa NO3- thành N2.
Các cơng đoạn từ (5) -> (6) được chế tạo dưới dạng thiết bị và chỉ thực hiện cho q trình loại bỏ amơni.
(7) Bể lọc chậm
Nước từ bể khử nitrat tự chảy sang bể lọc chậm nhằm loại bỏ trên 99% vi sinh vật và cặn lơ lửng trong q trình xử lí bằng vi sinh ở phía trước. Nước sau bể lọc chậm vào bồn chứa nước sau xử lí.
(8) Thiết bị lọc hấp phụ Asen
Như đã đề cập trong các cơng đoạn xử lí Sắt, Mangan ở phía trước chỉ đồng thời xử lí được ~ 70 % hàm lượng Asen có trong nước ngầm, gần 30 % hàm lượng Asen còn lại cần tiếp tục được loại bỏ. Ở đây, chúng tôi dùng kĩ thuật lọc hấp phụ Asen dùng vật liệu hấp phụ Asen chuyên dụng, nhằm xử lí hết phần cịn lại để nước đầu ra đạt QCVN.
2.2. Nội dung nghiên cứu
2.2.1. Khảo sát các yếu tố DO, pH, độ kiềm ở các giai đoạn xử lí
Việc khảo sát, theo dõi thường xuyên các yếu tố DO, pH, độ kiềm có ý nghĩa quan trọng trong các q trình oxi hóa các chất ở các giai đoạn khác nhau từ đó giúp điều chỉnh kịp thời khi có sự biến động. Quá trình đo DO được tiến hành song song với quá trình lấy mẫu phân tích ở đầu và cuối của mỗi thiết bị. Giá trị DO quan trọng nhất là và phụ thuộc nhiều nhất vào thiết bị cấp khí và tính tốn để oxi có thể oxi hóa tối đa các dạng tồn tại cần thiết. Ở thiết bị Pilot được nghiên cứu chúng tơi đã tính tốn và điều chỉnh injector cho phù hợp với điều kiện cụ thể của nguồn nước cũng như yêu cầu xử lí.
Giá trị pH cũng được theo dõi thường xun để đảm bảo q trình oxi hóa đạt hiệu quả cao và được tiến hành đo ngay các mẫu được lấy để phân tích.
2.2.2. Khảo sát sự biến thiên nồng độ Fe, Mn và As khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào đầu vào
Đánh giá khả năng xử lí Fe, Mn, As (phương án ơxi hóa – đồng kết tủa/hấp phụ) thông qua:
- Đánh giá hiệu quả ơxi hóa Fe(II) (modul (2)), lắng cặn Fe(OH)3 (modul (3)), lọc nhanh (modul (4)): Tập trung vào các chỉ tiêu: Fe(II), FeT, đối chiếu pH, DO
- Đánh giá hiệu quả lọc hấp phụ, tập trung vào chỉ tiêu As
Với kích thước thiết bị được thiết kết chúng tôi ưu tiên khảo sát ở lưu lượng Q = 0,5m3/h và Q = 1m3/h. Ở hai lưu lượng này mong muốn tìm ra hiệu quả xử lí đồng thời của từng giai đoạn và giới hạn xử lí của các thiết bị hợp khối từ đó có những tính tốn ở quy mơ lớn hơn, tính tốn cho từng điều kiện xử lí cụ thể theo một quy trình cụ thể. Đồng thời có tiến hành bổ sung một số chất oxi hóa ở các nồng độ khác nhau để tăng cường hiệu quả xử lí.
2.2.3. Đánh giá khả năng xử lí N-amơni
- Đánh giá hiệu quả nitrat hóa (modul (5)) Tập trung vào các chỉ tiêu: N-NH4+, N- NO2, N-NO3
- Đánh giá hiệu quả khử nitrat (modul (6)) Tập trung vào các chỉ tiêu: N-NH4+, N- NO2, N-NO3
- Từ khảo sát, đánh giá hiệu quả xử lí để tìm ra giới hạn xử lí của thiết bị.
2.3. Hóa chất phục vụ cơng tác nghiên cứu
Hóa chất bổ sung được tính tốn và pha trong thùng chứa 100 lít, dùng bơm hóa chất bổ sung với lưu lượng bơm 1 lít/giờ. Các hóa chất MnCl2, NaAsO2 được pha chung trong bình 100 lít dùng cho 4 ngày với các nồng độ đầu vào (bơm vào injector) dưới đây.
NH4Cl được hòa tan trước pH khoảng 7, sau đó cho dung dịch NaAsO2 và khuấy đều. Sau cùng cho MnCl2.4H2O vào và khuấy đều.
- Mangan. Mangan được pha từ MnCl2.4H2O
Bảng 2.1. Tính tốn pha Mn Nồng độ Nồng độ đầu vào (mg/l) Lưu lượng đầu vào (m3/h) Khối lượng Mn (II) dùng cho 1 giờ (g) Khối lượng MnCl2.4H2O dùng trong 1 giờ (g) Khối lượng MnCl2.4H2O dùng trong 100 giờ (g) 0.5 0.5 0.25 0.9 90 1 0.5 0.5 1.8 180 0.5 1 0.5 1.8 180 1 1 1 3.6 360 - Asen Bảng 2.2 - Tính tốn pha As Nồng độ đầu vào (mg/l) Lưu lượng đầu vào (m3/h) Khối lượng As (III) dùng cho 1 giờ (g) Khối lượng As2O3 dùng trong 1 giờ (g) Khối lượng As2O3 dùng trong 100 giờ (g) Lượng NaOH cần dùng (g) 0.5 0.5 0.25 0.33 33 13.33 1 0.5 0.5 0.66 66 26.67 0.5 1 0.5 0.66 66 26.67 1 1 1 1.32 132 53.33
As2O3 được hòa tan bằng NaOH dư theo phương trình:
- Nito: N-NH4Cl Bảng 2.3. Tính tốn pha amoni Nồng độ đầu Nồng độ đầu vào (mg/l) lưu lượng đầu vào (m3/h) khối lượng N- NH4 dùng cho 1giờ (g) Khối lượng NH4Cl dùng trong 1 giờ (g) Khối lượng NH4Cl dùng cho 100 giờ (kg) 10 0.5 5 19.1 1.9 15 0.5 7.5 28.7 2.9 20 0.5 10 38.2 3.8 10 1 10 38.2 3.8 15 1 15 57.3 5.7 20 1 20 76.4 7.6 - Clo – Javen.
Javen được pha vào bình 50 lít, sử dụng bơm 1 lít/giờ bổ sung vào injector. Javen ở chế độ 0,5 m3/h dùng Javen có nồng độ clo hoạt động là 55.38 g/l
Bảng 2.4. Tính tốn pha Clo – javen ở chế độ 0,5 m3/h
Nồng độ đầu vào (mg/l) lưu lượng đầu vào (m3/h) Nồng độ Clo ở
dung dịch gốc (g/l) dùng cho 1 giờ (lít) Thể tích Javen cần
Thể tích javen dùng cho 50 giờ (lít) 2 0.5 55.38 0.018 0.9 4 0.5 55.38 0.036 1.8 6 0.5 55.38 0.054 2.7 8 0.5 55.38 0.072 3.6
Javen ở chế độ 1 m3/h dùng Javen có nồng độ clo hoạt động là 70 g/l
Bảng 2.5 – Tính tốn pha Clo – javen ở chế độ 1 m3/h
Nồng độ đầu vào (mg/l) lưu lượng đầu vào (m3/h) Nồng độ Clo ở dung dịch gốc (g/l) Thể tích Javen cần
dùng cho 1 giờ (lít) Thể tích javen dùng cho 50 giờ (lít)
2 1 70 0.029 1.4
4 1 70 0.057 2.8
6 1 70 0.086 4.3
8 1 70 0.114 5.7
- KMnO4: KMnO4 được pha trong bình 50 lít, sử dụng bơm vào injector với lưu lượng 1lit/giờ
Bảng 2.6 – Tính tốn pha KMnO4
Nồng độ đầu vào (mg/l)
lưu lượng đầu vào (m3/h)
Khối lượng KMnO4
dùng cho 1 giờ (g) Khối lượng KMnO4dùng cho 50 giờ (g)
5 1 5 250
2.4. Quy trình thực nghiệm
2.4.1. Các vị trí lấy mẫu và các thơng số đo đạc phân tích
(a) Nước thơ: phân tích tổng thể (b) Sau Ejector: phân tích tổng thể:
(c) Sau bể phản ứng (ơxi hóa xử lí Fe(II)): phân tích Fe(II), FeT, các thơng số khác theo u cầu thí nghiệm
(d) Sau bể lắng: phân tích Fe(II), FeT, các thông số khác theo yêu cầu TN (chú ý As) (e) Sau bể lọc nhanh: phân tích Fe(II), FeT, các thông số khác theo yêu cầu thí
nghiệm (chú ý N, As) (f) Sau Nitrat hóa: Phân tích N (g) Sau Nitrat hóa: Phân tích N
(h) Sau thiết bị lọc hấp phụ As: phân tích As
Các vị trí a, b, c... được đánh dấu trong sơ đồ cơng nghệ (hình 2.2). Trong q trình lấy mẫu ở các vị trí đồng thời đo DO. Thời gian lấy mẫu được tiến hành vào 9h - 9h15 (Lần 1) và 3h – 3h15 (lần 2). Sau khi các mẫu được lấy thì đem đi phân tích ngay.
2.4.2. Phân tích số liệu
Cơng việc phân tích các chỉ số được đảm nhiệm chủ yếu bởi đội ngũ cán bộ phân tích tại phịng thí nghiệm của trung tâm CETASD. Các chỉ số được phân tích đồng thời, mỗi cán bộ đảm nhiệm một số chỉ số nhất định và tuân theo quy trình chuẩn.
2.4.3. Phương pháp đánh giá số liệu
Các kết quả có thể để dưới dạng nồng độ (mg/L), riêng đối với As đôi khi dùng nồng độ g/L. Kết quả được thể hiện dưới dạng bảng và đồ thị theo vị trí lấy mẫu (sau mỗi đơn vị xử lí) để phục vụ cơng tác biện luận. Đối chiếu với QĐ 1329:2002/BYT , QCVN 01:2009 và QCVN 02:2009
2.5. Các phƣơng pháp phân tích
Các phương pháp phân tích N
Phương pháp phân tích N – NH4+
Nguyên tắc:
Phản ứng của amoni và hypochlorite với sự có mặt của xúc tác phenol tạo thành hợp chất indophenol màu xanh đậm. Đo màu ở bước sóng 640nm . Giới hạn phát hiện > 0,1mg/ N- NH4+
Thuốc thử:
Hypochlorite:15g NaOH khan + 500ml NaOCl 0.1%, sau đó định mức đến 1000ml bằng nước cất deion.
Dung dịch Phenol-nitroprusside: 5g phenol+ 0.025g Nitroprusside (Na2[Fe(CN) 5.NO].2H2O) định mức đến 500ml bằng nước đeion.
Dung dịch chuẩn:
Dung dịch chuẩn được lấy từ NH4Cl tinh khiết sấy ở 105ºC trong 3h để nguội trong bình hút ẩm. Cân 3,819g NH4Cl hịa tan và định mức đến 1000ml bằng nước đeion . dung dịch có nồng độ N- NH4+ 1g/l.
Chuẩn bị dung dịch có nồng độ 1mg/l (khơng nên tiến hành pha lỗng nồng độ quá 100 lần). Lập đường chuẩn có các điểm tương ứng với các nồng độ :
[NH4+], mg/l 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Vdeion, ml 5 4 3 2 1 0
VN –NH4+, ml 0 1 2 3 4 5
Cách tiến hành:
+ Giới hạn đường chuẩn tối đa cho phép xác định <1mg N- NH4+ /l. + Lập đường chuẩn và phân tích mẫu theo các bước sau:
- Mẫu đưa về có nồng độ nằm trong khoảng giới hạn đường chuẩn. - Lấy 5ml mẫu vào ống thủy tinh .
- Lắc trên máy rung 30giây.
- Thêm 3ml dung dịch hypochloride. - Lắc trên máy rung 30 giây.
- Điều nhiệt ở 30÷40ºC trong 25÷ 30 phút. - Đo ở bước sóng 640nm.
Phương pháp phân tích N – NO2-
Nguyên tắc
Phản ứng giữa nitrit và hỗn hợp sulfanilamide với naphtylenediamine tạo ra phức màu hồng ở pH= 2,0-2,5. Đo màu ở bước sóng 540nm.
Chuẩn bị thuốc thử
Dung dịch sulphanilamide: cân 0,6g NH2 C6 H4 SO2 NH2 hòa tan trong 50g ml nước cất deion nóng, làm lạnh thêm 40ml HCl đặc và định mức tới 100ml.
Dung dịch naphtylenediamine dihydrochloride: cân 0,1g 10H7 NHCH2 NH2.2HCl hòa tan trong 100ml nước cất đeion. Đựng trong chai màu nâu (nếu dung dịch chuyển sang màu nâu thì khơng dùng nữa). Các dung dịch thuốc thử đều phải bảo quản trong tủ lạnh.
Lập đường chuẩn
Chuẩn bị các ống thủy tinh có thể tích chứa khoảng 15ml. Chuẩn bị dung dịch gốc N – NO2-
có nồng độ 250mg N – NO2- / l: hòa tan 1,23 NaNO3 trong 1000ml nước đeion.
Chuẩn bị dung dịch chuẩn N – NO2- có nồng độ 1mg/l N – NO2- từ dung dịch gốc bằng cách pha loãng nồng độ.
[N – NO2-], mg/l 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
Vdeion, ml 10 9,8 9,6 9,4 9,2 9
+ Chẩn bị dung dịch mẫu nằm trong khoảng giới hạn <0,1mg/l. + Lấy 10ml mẫu vào trong ống thủy tinh.
+ Thêm 0,2ml sulphanilamide. + Trộn đều và giữ yên trong 5 phút.
+ Thêm 0,2ml naphtylenediamine dyhidrochlorit. + Trộn đều và giữ yên trong 10 phút.
+ Đo ở bước sóng 540nm.
+ Với các dung dịch chuẩn cũng làm các bước tương tự như trên.
Phương pháp đo N – NO3-
Nguyên tắc:
Phản ứng giữa nitrat và brucide ở pH= 2-3 tạo thành dung dịch có màu vàng. Đo màu ở bước sóng 415nm.
Chuẩn bị thuốc thử
Hịa tan 1g brucide(C23 H26 O4 N2 ) 2.H2 SO4 .7H2 O + 0,1g axit sulphanil (H2 NC6 H4 SO3 H) + 3ml HCl vào 70ml nứơc cất nóng , làm lạnh tới nhiệt độ phịng sau đó