5.6.1.3 .Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý asen qua các lần lọc đầu tiên
I.1. Tính tốn q trình chuyển khối trong cộ t
Khối lƣợng riêng của vật liệu: Với : m1: Là khối lƣợng vậtt liệu, g V: Thể tích của lớp lọc vật liệu, cm3 Gọi h là chiều cao của cột hấp phụ, h = Z (cm) Vậy, chiều cao của cột hấp phụ là: ⁄
I.1.2. Chiều cao của vùng truyền khối là:
Mối liên hệ giữa chiều cao của lớp MTZ và chiều cao của cột hấp phụ, thể tích
VB, và VE đƣợc biểu diễn theo cơng thức [14]:
) ( 5 , 0 E B E B E MTZ V V V V V Z H
HMTZ–chiều cao của vùng truyền khối, m
Z – chiều cao của cột hấp phụ, m
VE–thể tích qua cột tới bão hịa, l, m3
VB –thể tích qua cột tới điểm thốt, l, m3
[ ( ) ]
Vậy, chiều cao cột hấp phụ chạy theo mơ hình Bed - Volume
Sau khi tiến hành nghiên cứu hấp phụđộng trên cột theo mơ hình Bed – Volume mơ hình phịng thí nghiệm ta thu đƣợc kết quảnhƣ bảng I.1:
Bảng I.1. Tóm tắt kết quả chạy cột theo mơ hình Bed - Volume
STT Thơng số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Đƣờng kính trong d 1 cm
2 Tiết diện của bề mặt vật liệu A 0,785 cm2
3 Bed - volume BV 11 ml
4 Lƣu lƣợng chảy Q 5 ml/phút
5 Chiều cao cột hấp phụ Z 14 cm
6 Khối lƣợng vật liệu m1 10 g
7 Khối lƣợng riêng của vật liệu 0,909 g/cm3
8 Thời gian tiếp xúc EBCT 2,2 phút
9 Thời gian sử dụng vật liệu t 4 ngày
10 Nồng độ As vào C0 50 ppb 11 Thể tích chạy 1 ngày Vd 7,2 lít 12 Thể tích xử lý đƣợc VT 28,8 lít 13 Lƣợng asen khửđƣợc q 1,16 mg 14 Dung lƣợng hấp phụ cực đại qe 0,116 mg/g Ce/C0 = 0,05
15 Thể tích qua cột tới điểm thốt VB 7,2 lít
16 Thời gian tại điểm thoát tB 1 ngày
Ce/C0 = 0,95
17 Thể tích qua cột tới bão hịa VE 86,4 lít
18 Thời gian bão hòa tE 12 ngày
I.2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH
I.2.1. Cột lọc asen tích hợp trong mơ hình bình lọc nƣớc hai tầng
Dựa trên mơ hình hấp phụ động trên cột theo Bed – volume tiến hành ở phịng thí nghiệm chúng tơi tiến hành thiết kế mơ hình cột lọc asen tích hợp trong mơ hình lọc
nƣớc 2 tầng với quy mơ hộ gia đình với lƣu lƣợng 5 ml/phút và nồng độ As đầu vào giả định trong nƣớc là 50 ppb.
I.2.1.1. Khối lƣợng Ceramic- Bùn sắt cho vào cột lọc
Ta có: Trong đó: H: Chiều cao cột lọc, chọn H = 15,5 (cm) r: Bán kính cột lọc, r = 3,75 (cm) Khối lƣợng riêng của vật liệu, ( )
m2: Khối lƣợng Ceramic – Bùn sắt cho vào (g) Vậy, khối lƣợng Cermic – Bùn sắt cho vào cột lọc là:
( )
I.2.1.2. Chiều cao hấp phụ
Thiết kế5 vách ngăn trong cột để tăng độ dài cột hấp phụ. Khi đó, cột lọc đƣợc
chia làm 6 ngăn, ngăn đầu tiên cao 5,5 cm, các ngăn cịn lại mỗi ngăn cao 2 cm và
thơng với nhau bởi các mặt cắt hình bán nguyệt đặt so le nhau. Khoảng cách từ mặt cắt hình bán nguyệt tới tâm hình trụ là 1,875 cm.
Ta tính đƣợc:
+ + + + + + + + + + ( )
I.2.1.3. Khối lƣợng asen đƣợc hấp phụ:
Ta có:
Với:
m2: Khối lƣợng Ceramic – Bùn sắt cho vào, m2 = 622 (g) qe: Dung lƣợng hấp phụ cực đại, qe = 0,116 (mg/g) Vậy, khối lƣợng asen đƣợc hấp phụ là:
I.2.1.4. Thểtích nƣớc xử lý:
Với : mHấp phụ : Khối lƣợng Asen đƣợc hấp phụ, mHấp phụ = 72 (g) C0 : Nồng độAsen đầu vào, C0 = 50 (ppb) Vậy, thể tích dung dịch xửlý đƣợc là : ( ) I.2.1.5. Thời gian sử dụng vật liệu Ta có: Với: V: Thể tích dung dịch xửlý đƣợc (l)
Vd: Thể tích dung dịch xử lý trong 1 ngày, Vd = 7,2 (l/ngày) Vậy, thời gian sử dụng vật liệu:
( )
Nhƣ vậy, thiết kế mơ hình cột lọc asen với các thơng số sau:
Bảng I.2. Các thơng số thiết kế mơ hình cột lọc asen
STT Thơng số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Đƣờng kính trong d 7,5 cm 2 Chiều dài cột lọc H 15,5 cm 3 Lƣu lƣợng chảy Q 5 ml/phút 4 Khối lƣợng vật liệu sử dụng m2 622 g 5 Khối lƣợng As đƣợc hấp phụ mHấp phụ 72 mg 6 Thời gian sử dụng vật liệu T 200 ngày 7 Thể tích xử lý V 1440 lít
I.2.2. Công nghệ xửlý nƣớc ngầm nhiễm asen quy mơ gia đình
Asen tồn tại trong nƣớc nguồn ở 2 dạng là As(III) và As(V), trong đó As(III) ảnh
hƣởng đến con ngƣời nhiều nhất. Để giảm lƣợng asen trong nƣớc nguồn, ta cho nƣớc
qua giàn mƣa tiếp xúc với khơng khí để oxi hóa As(III) thành As(V).
Nƣớc nguồn hay nƣớc giếng khoan thƣờng có chứa Fe(II) và Mn(II). Sau khi gặp
oxi nƣớc ngầm sẽ chuyển đổi thành Fe(III) và Mn(IV) cùng lúc q trình oxi hóa xảy ra thì việc tiếp xúc với oxy sẽ làm giảm một phần asen có trong nƣớc nguồn . Nếu có
điều kiện nên làm giàn mƣa thành nhiều tầng để tăng q trình oxi hóa. Giàn mƣa đƣợc làm bằng ống nhựa đục các lỗ khoan nhỏ tốt nhất lên dụng lỗ khoan 1 hoặc 2
mm, không nên đục lỗ to sẽ khơng tốt cho q trình oxy hóa . Biện pháp oxy hóa trên chỉ có thể làm giảm một lƣợng nhỏ asen chứ khơng xử lý đƣợc nhƣng đó là khâu rất quan trọng trong quá trình xửlý nƣớc nhiễm asen .
I.2.2.2. Bồn lọc chậm
Nhiệm vụ: Bồn lọc chậm đƣợc dùng để lọc toàn bộ cặn bẩn trong nƣớc, có tác
dụng giữ lại các cặn sắt đƣợc tạo nên do Fe2+ bị oxi hóa bởi O2 sau làm thoáng.
Nguyên lý hoạt động: Nƣớc từ ống thu của giàn mƣa đƣa vào bể lọc chậm từ
trên xuống dƣới qua lớp cát lọc với vận tốc rất nhỏ (0.2 – 0.5 m/h khi xử lý nƣớc
ngầm). Lớp cát lọc đƣợc đặt trên lớp vật liệu đỡ, dƣới lớp vật liệu đỡ là hệ thống thu
nƣớc đã lọc có chứa 1 ống nƣớc bằng nhựa khoan lỗ dọc thân ống, cịn đầu ống phía trong đƣợc bịt kín lại. Nhƣ vậy, nƣớc sẽ thấm qua các lỗ nhỏ rải đều trên ống chứ
không chảy trực tiếp vào đầu ống. Điều này sẽ tránh ống bị nghẹt và lƣợng nƣớc vào
ống đều hơn, ống này sẽ đƣa nƣớc sang thùng lọc FC.
Vật liệu: Thép CT3
Thiết kế bể lọc chậm bao gồm các bộ phận sau:
Lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu đỡ. Kích thƣớc bồn lọc. Hệ thống thu nƣớc lọc. a. Diện tích bề mặt của bể lọc chậm
Trong đó: Q: Lƣu lƣợng nƣớc xử lý, Q = 0,5 m3/h v: Tốc độ lọc (m/h), (Theo [17], bảng 4.3, trang 116), v = 0,5 (m/h) Diện tích bề mặt bể loc là: ( ) Chọn kích thƣớc bể là: b l = 1 1 (m)
b. Chiều cao toàn phần của bể lọc
Khi chọn vật liệu lọc vàvật liệu đỡ ngoài việc quan tâm đến giá thành, đồng thời phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Đảm bảo đƣợc thành phần hạt theo yêu cầu phân loại.
- Đảm bảo mức đồng nhất về kích thƣớc hạt.
- Đảm bảo độ bền cơ học.
- Đảm bảo độ bền hóa học đối với nƣớc lọc.
Lớp vật liệu lọc: Đặt ở trên cùng có tác dụng loại bỏ cặn bẩn có trong nƣớc.
Lớp vật liệu đỡ: Đặt giữa lớp vật liệu lọc và hệ thống ống thu nƣớc lọc. Chức năng của lớp đỡ :
Ngăn không cho hạt vật liệu lọc chui qua lỗ của hệ thống ống thu nƣớc. Phân phối đều nƣớc trong ống.
Bảng I.3. Cấu tạo lớp cát lọc và sỏi đỡ trong bể lọc chậm
STT Vật liệu lọc và
lớp đỡ Cỡ hạt (mm)
Chiều dày lớp vật liệu
(mm) 1 2 3 4 5 6 Cát Cát
Sỏi hoặc đá dăm Sỏi hoặc đá dăm Sỏi hoặc đá dăm Sỏi hoặc đá dăm
0.3 – 1 1 – 2 2 – 5 5 – 10 10 – 20 20 - 40 500 50 50 50 50 100 TCXDVN 33 –2006/Bộ Xây Dựng
H = ht + hc + hs + hn + hp (m)
(Theo [17], cơng thức 4.5, trang 116)
Trong đó:
hc: Chiều dày lớp cát lọc cỡ hạt 0,3 – 1 mm, hc = 0,5 (m). hs: Chiều dày lớp sỏi đỡ
Sỏi nhỏ cỡ hạt 2 – 5 mm, hs1 = 0,1 (m) Sỏi lớn cỡ hạt 10 – 20 mm, hs1 = 0,1 (m)
hn: Chiều cao lớp nƣớc từ 0,8 –1,8 m, thƣờng lấy hn = 1 (m).
hp: Chiều cao dự phòng từ 0,3 –0,5 m, chọn hp = 0,3 (m).
ht: Chiều dày lớp sàn đáy thu nƣớc lọc từ 0,3 –0,5 m, thƣờng lấy ht = 0,3 (m) Chiều cao toàn phần của bể lọc là:
H = 0,5 + 0,2 + 1,5 + 0,3 + 0,3 = 2,3 (m)
Vậy, bể lọc chậm đƣợc thết kế với kích thƣớc nhƣ sau:
Kích thƣớc bể hình chữ nhật: b h l = 1 2,3 1 (m)
Lƣu ý:( Theo Điều 6.246_TCXDVN 33 – 2006 ),chiều cao từ mực nƣớc đến lỗ
giàn ống phun không nhỏhơn 0.6m
c. Hệ thống thu nƣớc lọc
Hệ thống thu nƣớc lọc bằng ống khoan lỗ ống nhựa PVC có đƣờng kính 49 (mm) đƣợc khoan lỗ 5 (mm), bịt kín đầu phía.
Tổng diện tích lỗ khoảng 30 – 35 % diện tích tiết diện ngang ống chính Chọn tổng diện tích lỗ f = 0.3 diện tích tiết diện ngang ống chính. ( ) Số lỗ cần thiết
Khoảng cách các lỗ làm thành một góc 45 so với phƣơng thẳng đứng.
Vậy, ống khoan lỗ là ống nhựa PVC đƣợc thiết kế nhƣ sau:
Số lỗ 29 lỗ.
Đƣờng kính lỗ 5 mm
Khoảng cách các lỗ 35 mm
d. Rửa lọc
Khi cặn bẩn lắng đọng tạo thành màng lọc trên mặt lớp vật liệu lọc (màng lọc thƣờng đƣợc tạo ra trên bề mặt của lớp cát ở bể lọc chậm và màng lọc này chứa vô số các loại vi sinh vật có khả năng lọc và diệt 97 –99% vi khuẩn ).
Khi tổn thất áp lực trong lớp lọc đạt đƣợc trị số giới hạn hoặc khi chất lƣợng nƣớc lọc xấu hơn quy định thì tiến hành rửa lọc:
Rửa bằng bán cơ giới: Lọc bỏ lớp phèn đóng trên bề mặt lớp cát trên cùng bằng cách khuấy đều lớp nƣớc mặt (để nƣớc khoảng 2-3 cm), rồi mở van xả phèn phía trên. Tất cả lớp phèn đọng sẽ bị trơi ra ngồi, làm lại một hai lần để nƣớc sạch hoàn toàn.
Rửa bằng thủ cơng: Nếu tình trạng nƣớc nhiễm bẩn, nhiễm phèn quá nặng tiến hành rửa lớp vật liệu lọc, xúc lớp cát trên dày 2 – 3 cm ra ngoài, cọ rửa sạch cặn bẩn rồi lại chất vào bể lọc.
Bảng I.4. Tóm tắt các thơng số thiết kế bồn lọc chậm
STT Thông số thiết kế Đơn vị Giá trị
1 Chiều ngang bể m 1
2 Chiều cao bể m 2,3
3 Chiều dài m 1
4 Chiều cao lớp cát lọc m 0,5
5 Chiều cao lớp sỏi đỡ m 0,2
6 Đƣờng kính ống khoan mm 49
7 Đƣờng kính lỗ mm 5
8 Số lỗ lỗ 29
9 Khoảng cách các lỗ mm 35
Sử dụng loại thùng phuy có đƣờng kính là 0,8m và chiều cao là 2m có bán rộng rãi trên thị trƣờng để làm thùng lọc chứa vật liệu lọc.
Trên cơ sở hấp phụđộng trên cột theo mơ hình Bed – volume tiến hành ở phịng thí nghiệm chúng tơi tiến hành thiết kế mơ hình thùng lọc FC quy mơ hộ gia đình với
lƣu lƣợng 1,5 m3/ngày, giả sử nồng độ As đầu vào nƣớc giả lập là 50 ppb gồm các thông số thiết kế thùng lọc FC nhƣ sau:
Chiều cao lớp vật liệu lọc: H = 25 cm
Ta có:
Vậy, khối lƣợng Cermic – Bùn sắt cho vào thùng lọc là:
Khối lƣợng asen đƣợc hấp phụ:
( )
Thể tích nƣớc xử lý là:
( )
Thời gian sử dụng vật liệu:
( )
Nhƣ vậy, với thiết kếnhƣ trên thì lớp vật liệu FC có thời gian sử dụng khoảng 6
tháng, tƣơng đồng với lớp than hoạt tính.
Bảng I.5. Các thơng số thiết kế thùng lọc FC quy mơ gia đình
STT Thơng số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Đƣờng kính trong d 80 cm
2 Chiều cao lớp vật liệu lọc H 25 cm
3 Lƣu lƣợng chảy Q 1,5 m3/ngày 4 Khối lƣợng vật liệu sử dụng M 114 kg
5 Khối lƣợng As đƣợc hấp phụ mHấp phụ 13 g
6 Thời gian sử dụng vật liệu T 176 ngày
Trong thùng lọc, ta bố trí các lớp vật liệu nhƣ sau:
- Lớp 1: Cát vàng hoặc cát đen dạng nhỏ, dày khoảng 15 cm.
- Lớp 2: Vật liệu lọc FC – có chức năng khử Asen, dày khoảng 25 cm. - Lớp 3: Than hoạt tính khử mùi, lọc khuẩn, dày khaongr 10 cm. - Lớp 4: Cát vàng hoặc cát đen dạng to, dày khoảng 15 cm.
- Lớp 5: Lớp sỏi làm vật liệu đỡ, dƣới lớp vật liệu đỡ là hệ thống thu nƣớc đã
lọc có chứa 1 ống nƣớc bằng nhựa khoan lỗ 0,5 cm dọc thân ống, cịn đầu ống phía
trong đƣợc bịt kín lại. Nhƣ vậy, nƣớc sẽ thấm qua các lỗ nhỏ rải đều trên ống chứ
không chảy trực tiếp vào đầu ống. Điều này sẽ tránh ống bị nghẹt và lƣợng nƣớc vào ống đều hơn.