CHƯƠNG 3 : MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mơ hình nghiên cứu
3.1.1. Mơ hình thí nghiệm
Mơ hình lọc được làm từ các bình nhựa trong suốt có kích thước: Đường kính: 160 mm
Chiều cao bình: 400 mm Thể tích bình: 7.5 lít
Các thơng số ban đầu của mơ hình lọc nước: Chiều cao lớp sỏi đỡ: 50 mm
Chiều cao lớp cát thạch anh: 50 mm Chiều cao lớp cát lọc 1: 50 mm Chiều cao lớp vật liệu lọc: 100 mm Chiều cao lớp cát lọc 2: 50 mm
Hình 3.1. Mơ hình lọc nước
Tính tốn mơ hình:
Thể tích các lớp vật liệu:
- = ( ) = 2 ( ) = 0.002 ( ) Khối lượng riêng của các loại vật liệu:
- = = = 241.1 ( ) - = = = 248.9 ( ) - = = = 290.9 ( ) - = = = 1400 ( ) Khối lượng của các lớp vật liệu:
- = 0.002 ( ) × 241.1 ( ) = 0.4822 (kg) - = 0.002 ( ) × 248.9 ( ) = 0.4978 (kg) - = 0.002 ( ) × 290.9 ( ) = 0.5818 (kg) - = = 0.002 ( ) × 241.1 ( ) = 0.4822 (kg) 3.1.2. Mơ hình đối chứng
Mơ hình đối chứng được làm từ các bình nhựa trong có kích thước: Đường kính: 160 mm
Chiều cao bình: 400 mm Thể tích bình: 7.5 lít
Các thơng số ban đầu của mơ hình đối chứng: Chiều cao lớp sỏi đỡ: 50 mm
Chiều cao lớp cát thạch anh: 50 mm Chiều cao lớp cát lọc: 100 mm
Hình 3.2. Mơ hình đối chứng 3.2. Vật liệu nghiên cứu
3.2.1. Vật liệu lọc
3.2.1.1. Phương pháp lấy mẫu
- Vỏ trấu được lấy ở Huyện Bến Lức – Tỉnh Long An được đem nghiền nhỏ trên máy xay và được rây qua rây 1 mm.
- Xơ dừa được lấy ở Huyện Bến Lức – Tỉnh Long An được đem nghiền nhỏ trên máy xay và được rây qua rây 0.25 mm.
- Mùn cưa được lấy tại nhà máy xẻ gỗ Xã Phú Ngọc – Huyện Định Quán – Tỉnh Đồng Nai được đem nghiền nhỏ trên máy xay và được rây qua rây 0.25 mm.
Hình 3.3. Vỏ trấu, xơ dừa và mùn cưa sau khi nghiền nhỏ
3.2.1.2. Phương pháp hoạt hóa
Xơ dừa, vỏ trấu và mùn cưa được rửa sạch bằng nước máy để xử lý tạp cơ học. Cân 600 g vật liệu khơ được ngâm vào xơ nhựa 10 lít chứa 7.5 lít dung dịch acid citric 0.6M trong 48 giờ. Sau đó, xơ dừa, mùn cưa và vỏ trấu được lấy ra khỏi dung dịch acid citric, để khơ tự nhiên ở điều kiện phịng thí nghiệm.
A. Vỏ trấu B. Xơ dừa C. Mùn cưa
Hình 3.4. Vỏ trấu, xơ dừa và mùn cưa được ngâm dung dịch acid citric 0.6 M
trong xơ nhựa 10 lít
Các vật liệu này được sấy ở C trong 5 giờ và hoạt hóa ở C trong 8 giờ. Vật liệu sau khi hoạt hóa được ngâm rửa bằng 5 lít nước cất trong 4 giờ, lặp lại quá trình này 3 lần nhằm rửa hết acid citric dư. Sau đó, lại sấy lại ở C trong 6 giờ, bảo quản trong các bao platic.
A. Vỏ trấu B. Xơ dừa C. Mùn cưa
Hình 3.5. Vỏ trấu, xơ dừa và mùn cưa sau khi hoàn thành
3.2.2. Đối tượng nghiên cứu
3.2.2.1. Nước mặt
Mẫu nước sông Cầu Kinh – Thanh Đa và mẫu nước sông Cầu Đồng Nai: mẫu chứa trong can mới với dung tích (20L) bằng nhựa PE, đã được súc rửa
trước đó bằng 20% và được vận chuyển ngay về phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường & Công nghệ Sinh học, ĐH Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh.
Kết quả phân tích chỉ tiêu đầu vào của nước mặt được trình bày ở bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Chỉ tiêu đầu vào của nước mặt
Thông số Đơn vị
Đầu vào
QCVN Nước sông cầu
Thanh Đa
Nước sông cầu Đồng Nai pH - 5 5.5 6 – 8.5 TSS (mg/l) 64.3 51.9 20 COD (mg /l) 176 128 10 DO (mg /l) 4.1 5.4 ≥ 6 Fe tổng (mg/l) 2.11 4.04 0.5 Coliform tổng (MPN/100ml) 750 450 150 3.2.2.2. Nước ngầm
Mẫu nước giếng khoan: mẫu nước giếng khoan lấy ở hộ nhà dân trên đường Bùi Đình Túy, Quận Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh. Mẫu chứa trong can mới với dung tích (20L) bằng nhựa PE, đã được súc rửa trước đó bằng
20% và được vận chuyển ngay về phịng thí nghiệm khoa Mơi trường & Cơng nghệ Sinh học, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh.
Mẫu nước giếng đào: mẫu nước giếng đào lấy ở hộ nhà dân Huyện Củ Chi, TP.Hồ Chí Minh. Mẫu chứa trong can mới với dung tích (20L) bằng nhựa PE, đã được súc rửa trước đó bằng 20% và được vận chuyển ngay về phịng thí nghiệm khoa Mơi trường & Cơng nghệ Sinh học, Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP. Hồ Chí Minh.
Kết quả phân tích chỉ tiêu đầu vào của nước ngầm được trình bày ở bảng 3.2 sau:
Bảng 3.2. Chỉ tiêu đầu vào của nước ngầm
Thông số Đơn vị Đầu vào QCVN Nước giếng khoan Nước giếng đào
pH - 5.5 5.3 6 – 8.5 TSS (mg/l) 24.5 28.4 20 COD (mg /l) 128 176 10 DO (mg /l) 5.6 5.5 ≥ 6 Fe tổng (mg/l) 3.06 3.97 0.5 Colifrom tổng (MPN/100ml) 640 300 150 3.2.2.3. Nước mưa
Mẫu nước mưa: mẫu nước mưa được hứng tại nhà 860/63 – Xô Viết Nghệ Tĩnh – Phường 25 – Quận Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh. Mẫu chứa trong can mới với dung tích (20L) bằng nhựa PE, đã được súc rửa trước đó bằng
20% và được vận chuyển ngay về phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường & Cơng nghệ Sinh học, Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP. Hồ Chí Minh.
Kết quả phân tích chỉ tiêu đầu vào của nước mưa được trình bày ở bảng 3.3 sau:
Bảng 3.3. Chỉ tiêu đầu vào của nước mưa Thông số Đơn vị Đầu vào QCVN Thông số Đơn vị Đầu vào QCVN
pH - 5 6 – 8.5
TSS (mg/l) 14 20
COD (mg /l) 80 10
DO (mg /l) 5.8 ≥ 6
Coliform
tổng (MPN/100ml) 270 150 3.3. Phương pháp nghiên cứu
3.3.1. Vận tốc lọc 3 (m/h)
Mẫu nước được đưa vào mơ hình lọc bằng cách cho nước chảy từ từ qua bình có thể tích xác định là 0.5 lít với thời gian nước chảy hết vào bình lọc là 30 s:
Lưu lượng nước tính tốn: Q = = 0.0167 (l/s) = 0.06 ( /h) Diện tích lọc: F = = ( ) = 0.02 ( ) Vận tốc lọc: v = = ( ) ( ) = 3 (m/h)
Mẫu nước sau khi chảy qua lớp vật liệu lọc được thu nước ở van đáy.
3.3.2. Vận tốc lọc 2 (m/h)
Mẫu nước được đưa vào mơ hình lọc bằng cách cho nước chảy từ từ qua bình có thể tích xác định là 0.5 lít với thời gian nước chảy hết vào bình lọc là 45 s:
Lưu lượng nước tính tốn: Q =
= 0.0111 (l/s) = 0.04 ( /h) Vận tốc lọc:
v = = ( )
( ) = 2 (m/h)
Mẫu nước sau khi chảy qua lớp vật liệu lọc được thu nước ở van đáy
3.3.3. Vận tốc lọc 0.62 (m/h)
Mẫu nước được đưa vào mơ hình lọc bằng cách cho nước chảy từ từ qua bình có thể tích xác định là 0.5 lít với thời gian nước chảy hết vào bình lọc là 145 s:
Lưu lượng nước tính tốn: Q =
v = = ( )
( ) = 0.62 (m/h)
Mẫu nước sau khi chảy qua lớp vật liệu lọc được thu nước ở van đáy
3.4. Phương pháp phân tích
Các chỉ tiêu phân tích mẫu trước và sau xử lý được trình bày ở bảng 3.4 sau:
Bảng 3.4. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ơ nhiễm sử dụng trong nghiên cứu. STT THÔNG SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC
1 SS Phương pháp khối lượng
2 COD
Oxy hóa chất hữu cơ trong mẫu bằng hỗn hợp K2Cr2O7 và H2SO4 có xúc tác. Lượng K2Cr2O7 và H2SO4 sẽ giảm tương ứng với
lượng chất hữu cơ có trong mẫu. Lượng K2Cr2O7 dư sẽ được định phân bằng dung dịch Fe(NH4)2(SO4)2 với chất chỉ thị feroin. Từ đó tính được lượng chất hữu cơ trong mẫu
tỉ lệ với lượng K2Cr2O7 được phản ứng với chất hữu cơ.
3 pH Máy đo pH
4 DO Phương pháp Winker xác định oxy hòa tan
trong nước
5 Fe
Đun cách thủy với hydroxyamin trong mơi trường axit để chuyển Fe (III) có mặt về Fe
(II) sẽ kết hợp với thuốc thử 1,10 – phenantrolin ở pH từ 3,2 đến 3,3. Một ion
Fe(II) sẽ kết hợp với 3 phân tử 1,10 – phenantrolin để hình thành phức có màu đỏ cam. Đo mật độ quang của dung dịch phức ở
nồng độ sắt trong mẫu.
6 Coliform tổng số Thực hiện phương pháp lên men nhiều ống (MPN) với các mơi trường ni cấy thích hợp
3.5. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu sau khi phân tích được xử lý bằng các phương pháp:
3.5.1. Phương pháp phân tích
Tiến hành thí nghiệm 3 lần.
Sử dụng các tài liệu, tiêu chuẩn, quy chuẩn để thu tập mẫu, phân tích các chỉ tiêu về pH, SS, DO, COD, sắt tổng và Coliform tổng số.
3.5.2. Phương pháp tổng hợp số liệu, vẽ biểu đồ bằng phần mềm excel 2007
Sau đó có các số liệu ghi chép, phân tích trong suốt q trình vận hành lọc tiến hành tổng hợp số liệu dạng bảng bằng phần mềm excel 2007. Từ bảng số liệu đó ta xây dựng biểu đồ thể hiện sự biến đổi của các chỉ tiêu theo dõi, phân tích như: pH, SS, DO, COD, Sắt tổng và Coliform tổng số.
3.5.3. Phương pháp so sánh
Sau khi phân tích, tổng hợp số liệu. Tiến hành so sánh hiệu quả xử lý của 3 mô hình lọc với nhau. Bên cạnh đó kết quả phân tích các chỉ tiêu DO, COD, SS với QCVN 08:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt và các chỉ tiêu pH, hàm lượng sắt tổng, coliform tổng số với QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt. Từ đó có thể suy ra hiệu quả của các vật liệu lọc.
3.6. Thời gian và địa điểm thực hiện
Thời gian: từ ngày 01/04/2013 đến 30/06/2013
Địa điểm: nghiên cứu được thực hiện tại Phịng thí nghiệm Khoa Môi trường & Công nghệ sinh học trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Vận tốc lọc 3 (m/h)
4.1.1. Nước mặt
4.1.1.1. Vật liệu lọc vỏ trấu
Kết quả xử lý mẫu nước sông cầu Thanh Đa và mẫu nước sông cầu Đồng Nai sau khi lọc qua mơ hình lọc với vật liệu lọc vỏ trấu ở vận tốc 3 (m/h) được trình bày ở bảng 4.1 sau:
Bảng 4.1. Kết quả xử lý mẫu nước mặt sau khi lọc với vật liệu vỏ trấu ở vận tốc
3 (m/h) Thông số Đơn vị Đầu vào Đầu ra QCVN Nước sông cầu Thanh Đa Nước sông cầu Đồng Nai Nước sông cầu Thanh Đa Nước sông cầu Đồng Nai Đối chứng Mơ hình Đối chứng Mơ hình pH - 5 5.5 5.4 6.4 ± 0.2 5.6 5.9 ± 0.1 6 – 8.5 TSS (mg/l) 64.3 51.9 56.8 6.9 ± 0.27 43.9 10.2 ± 0.40 20 COD (mg /l) 176 128 160 64 ± 11 80 53 ± 14 10 DO (mg /l) 4.1 5.4 4.7 6.4 ±0.1 5.6 6.6 ± 0.0 ≥ 6 Fe tổng (mg/l) 2.11 4.04 2.00 0.64 ±0.02 3.85 0.67 ± 0.01 0.5 Coliform tổng (MPN/100ml) 750 450 500 450 350 240 150
Các kết quả xử lý sau khi lọc có thể được biểu diễn bằng đồ thị như sau:
Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn kết quả xử lý mẫu nước mặt sau khi lọc với vật liệu
QCVN QCVN
QCVN QCVN
Nhận xét: từ hình 4.1 cho thấy
Đối với mẫu nước sông cầu Thanh Đa, nước sau khi qua mơ hình lọc với vật liệu lọc vỏ trấu ở vận tốc 3 (m/h) có chỉ tiêu pH đạt tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BYT và chỉ tiêu TSS, DO đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT:
Chỉ tiêu pH tăng từ 5 lên 6.4 ± 0.2.
Chỉ tiêu TSS giảm từ 64.3 (mg/l) xuống 6.9 ± 0.27 (mg/l). Chỉ tiêu DO tăng từ 4.1 (mg /l) lên 6.4 ± 0.1 (mg /l).
Đối với mẫu nước sơng cầu Đồng Nai, nước sau khi qua mơ hình lọc với vật liệu lọc vỏ trấu ở vận tốc 3 (m/h) thì chỉ có chỉ tiêu TSS và DO là đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT:
Chỉ tiêu TSS giảm từ 51.9 (mg/l) xuống 10.2 ± 0.40 (mg/l). Chỉ tiêu DO tăng từ 5.4 (mg /l) lên 6.6 ± 0.0 (mg /l).
Bảng 4.2. Hiệu quả xử lý mẫu nước mặt sau khi lọc với vật liệu vỏ trấu ở vận
tốc 3 (m/h)
Thông số
Hiệu quả xử lý (%)
Nước sông cầu Thanh Đa Nước sơng cầu Đồng Nai Đối chứng Mơ hình Đối chứng Mơ hình
pH 5.4 6.4 ± 0.2 5.6 5.9 ± 0.1 TSS 11.7% 89.3% 15.4% 80.4% COD 9.1% 63.6% 37.5% 58.3% DO 4.7 6.4 ±0.1 5.6 6.6 ± 0.0 Fe tổng 5.2% 70.0% 4.7% 83.5% Coliform tổng 33.3% 40.0% 22.2% 46.7% Nhận xét: bảng 4.2 cho thấy
Đối với mẫu nước sông cầu Thanh Đa, hiệu quả xử lý của mơ hình với vật liệu lọc vỏ trấu cao hơn mơ hình đối chứng:
Chỉ tiêu TSS mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 11.7% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 89.3%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 77.6%.
Chỉ tiêu COD mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 9.1% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 63.6%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 54.5%.
Chỉ tiêu Fe tổng mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 5.2% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 70.0%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 64.8%.
Chỉ tiêu Coliform tổng số mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 33.3% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 40.0%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả hơn mơ hình đối chứng 6.7%.
Đối với mẫu nước sông cầu Đồng Nai, hiệu quả xử lý của mơ hình với vật liệu lọc vỏ trấu cao hơn mơ hình đối chứng:
Chỉ tiêu TSS mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 15.4% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 80.4%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 65.0%.
Chỉ tiêu COD mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 37.5% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 58.3%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 20.8%.
Chỉ tiêu Fe tổng mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 4.7% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 83.5%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả cao hơn mơ hình đối chứng 78.8%.
Chỉ tiêu Coliform tổng số mơ hình đối chứng xử lý chỉ đạt được 22.2% trong khi mơ hình vỏ trấu xử lý được 46.7%. Mơ hình vỏ trấu xử lý hiệu quả hơn mơ hình đối chứng 24.5%.
4.1.1.2. Vật liệu lọc xơ dừa
Kết quả xử lý mẫu nước sông cầu Thanh Đa và mẫu nước sông cầu Đồng Nai sau khi lọc qua mơ hình lọc với vật liệu xơ dừa ở vận tốc 3 (m/h) được trình bày ở bảng 4.3 sau:
Bảng 4.3. Kết quả xử lý mẫu nước mặt sau khi lọc với vật liệu xơ dừa ở vận tốc 3 (m/h) Thông số Đơn vị Đầu vào Đầu ra QCVN Nước sông
cầu Thanh Đa
Nước sông cầu Đồng Nai Nước sông cầu Thanh Đa Nước sông cầu Đồng Nai Đối chứng Mơ hình Đối chứng Mơ hình pH - 5 5.5 5.4 7 ± 0.2 5.6 6.5 ± 0.0 6 – 8.5 TSS (mg/l) 64.3 51.9 56.8 3 ± 0.27 43.9 5.47 ± 0.38 20 COD (mg /l) 176 128 160 27 ± 7 80 21 ± 14 10 DO (mg /l) 4.1 5.4 4.7 6.9 ± 0.1 5.6 7.1 ± 0.1 ≥ 6 Fe tổng (mg/l) 2.11 4.04 2.00 0.56 ± 0.06 3.85 0.48 ± 0.04 0.5 Coliform tổng (MPN/100ml) 750 450 500 200 350 180 150
Các kết quả sau khi lọc có thể được biểu diễn bằng đồ thị như sau:
QCVN
Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn kết quả xử lý mẫu nước mặt sau khi lọc với vật liệu
xơ dừa ở vận tốc 3 (m/h) Nhận xét: từ hình 4.2 cho thấy
Đối với mẫu nước sông cầu Thanh Đa, nước sau khi qua mơ hình lọc với vật liệu lọc xơ dừa ở vận tốc 3 (m/h) có chỉ tiêu pH đạt tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BYT và chỉ tiêu TSS, DO đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT:
Chỉ tiêu pH tăng từ 5 lên 7.0 ± 0.2.
Chỉ tiêu TSS giảm từ 64.3 (mg/l) xuống 3.0 ± 0.27 (mg/l). Chỉ tiêu DO tăng từ 4.1 (mg /l) lên 6.9 ± 0.1 (mg /l).
Đối với mẫu nước sông cầu Đồng Nai, nước sau khi qua mơ hình lọc với vật liệu lọc xơ dừa ở vận tốc 3 (m/h) có chỉ tiêu pH, Fe tổng đạt tiêu chuẩn QCVN 02:2009/BYT và chỉ tiêu TSS, DO là đạt tiêu chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT:
QCVN QCVN