2.2.1. Hóa chất sử dụng
Hóa chất cần phân tích các chỉ tiêu bao gồm: hydroxulamin, phenalthroline, amoniacetat, H2SO4đđ, HClđđ, CH3COOH, FeSO4, AgNO3, K2CrO4, Na2CO3, HgSO4, KMnO4, KCN, dung dịch Complexom III, Eriorom T đen, NaOH, HCl, dung dịch EDTA,...
2.2.2. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 2.2.2.1. Thiết bị
- Mô hình giàn mƣa – Việt Nam - Mô hình bể lọc – Việt Nam - Máy UV-Vismini 1240 – Nhật - Máy HACH – DR/2000 – Nhật - Cân phân tích điện tử - Nhật - Bơm định lƣợng – Trung Quốc - Đo pH, nhiệt độ trên máy pH Meter.
2.2.2.2. Dụng cụ - Cốc thủy tinh 1000 ml - Cốc thủy tinh 1000 ml - Cốc thủy tinh 50 ml - Bình định mức 50 ml - Ống đong 50 ml - Pipet 25 ml - Pipet 10 ml - Pipet 5 ml - Pipet 2 ml - Đũa thủy tinh
- Bình định mức 1000 ml - Bình định mức 500 ml - Phễu
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM 1 THÍ NGHIỆM 1 XỬ LÝ SẮT BẰNG CÁC KẾT HỢP VLL HẠT NỔI VÀ CÁT THẠCH ANH THÍ NGHIỆM 2 XỬ LÝ SẮT BẰNG VLL HẠT NỔI BỌC LỚP OXIT KẾT HỢP CÁT THẠCH ANH THÍ NGHIỆM 3 XỬ LÝ SẮT BẰNG GIÀN MƢA KẾT HỢP CÁT THẠCH ANH MẪU NƯỚC NGẦM
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CỦA TỪNG THÍ NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ PHÙ HỢP
2.3.1. Lấy mẫu
- Phƣơng pháp lấy mẫu: QCVN 08:2009 và TCVN 5993 – 1995.
- Thời gian và tần suất: từ ngày 25/3/2013 đến 19/4/2013 lúc 7 giờ sáng. Mỗi ngày lấy mẫu 1 lần.
- Bật công tắc khởi động máy bơm, đợi 3 – 5 phút để nƣớc dƣ trong ống nƣớc chảy ra hết. Sau đó rửa bình chứa mẫu bằng nƣớc giếng 2 lần.
- Sử dụng bình nhựa có dung tích 20 lít để đựng mẫu. Mỗi lần lấy 6 thùng.
2.3.2. Tính toán chiều dày lớp vật liệu lọc [3]
Chiều dày vật liệu lọc:
Dựa vào Bảng 6.11 trong TCXD 33:2006 “Cấp nước – Mạng lưới đường ống và công trình thiết kế” (phụ lục 3)ta có Bảng 2.2: Bảng 2.2. Đặc trƣng của lớp vật liệu lọc Kiểu bể lọc Đặc trƣng của lớp vật liệu lọc Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thƣờng, m/h Đƣờng kính nhỏ nhất, mm Đƣờng kính lớn nhất, mm Chiều dày của lớp vật liệu lọc, mm
Bể lọc nhanh một lớp vật liệu lọc; vật liệu lọc là cát thạch anh. 0,5 1,5 700 5 - 7 Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc Cát thạch anh 0,5 1,5 700 7 - 10 Hạt nổi PS 1 2 300
Để đảm bảo tính chính xác của vận tốc lọc thông qua việc lựa chọn chiều dày vật liệu lọc nhƣ Bảng 2.2 ta phải tiến hành kiểm tra vận tốc lọc thực tế.
Kiểm tra vận tốc lọc thực tế:
Để kiểm tra vận tốc lọc thực tế ta làm nhƣ sau:
Đối với bể lọc 2 lớp VLL:
- Đổ 60 lít nƣớc sạch vào thùng chứa.
- Sắp xếp vật liệu lọc lần lƣợt theo chiều dày nhƣ Bảng 2.2.
- Dùng bơm bơm nƣớc từ thùng chứa sang bể lọc. Theo dõi lƣợng nƣớc chảy xuống khoang thu nƣớc sạch của bể lọc trong khoảng thời gian bao lâu. - Tính toán thể tích nƣớc đã đi qua lớp vật liệu lọc trong khoảng thời gian đó. - Vận tốc lọc đƣợc tính theo công thức sau:
Q v A , m/h Trong đó: v: vận tốc lọc, m/h. Q: lƣu lƣợng nƣớc qua bể lọc, m3/h. A: diện tích bề mặt bể lọc, m2.
- Diện tích bề mặt bể lọc là:
A = 0,19.0,19 = 0,0361 m2
- Lƣu lƣợng nƣớc qua bể lọc là 8,3 lít trong thời gian t = 2 phút 60.8,3.10 3 0, 25 2 Q m3/h Suy ra, vận tốc lọc là: 0, 25 6,93 0, 0361 Q v A m/h 7 m/h
Nhƣ vậy, kết quả này phù hợp với TCXD 33:2006.
Đối với bể lọc 1 lớp VLL:
Tiến hành kiểm tra vận tốc lọc tƣơng tự nhƣ đối với bể lọc 2 lớp VLL. Ta có: - Lƣợng nƣớc qua bể lọc là 8,3 lít trong thời gian t = 1,9 phút
60.8,3.10 3 0, 26 1,9 Q m3/h - Suy ra, vận tốc lọc là: 0, 26 7,1 0,0361 Q v A m/h 7 m/h
Kết quả này phù hợp với TCXD 33:2006.
Vậy, lựa chọn chiều dày lớp vật liệu lọc nhƣ Bảng 2.2 là hoàn toàn phù hợp.
2.3.3. Tính toán tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc [3]
Tổn thất áp lực qua lớp VLL sạch đƣợc tính theo phƣơng trình Carmen – Kozeny: 2 3 (1 ) . . . L e v h f L e dg Trong đó: : hệ số hình dạng, thƣờng lấy 0,8 – 1, chọn 0,9 d: đƣờng kính hạt vật liệu, m. e: độ rỗng VLL. v: vận tốc lọc, m3/m2.s, v = 0,0019 m3/m2.s (2.3)
L: chiều dày lớp VLL F: hệ số ma sát, đƣợc tính theo công thức: 150.(1 ) 1, 75 Re e f
Re: hệ số Reynold, tính theo công thức: Re vd
µ: hệ số nhớt động học của nƣớc ở 27oC, µ = 0,00086 N.m/s2 ρ: khối lƣợng riêng của nƣớc, ρ = 1000 kg/m3
2.3.4. Cách tiến hành thí nghiệm
2.3.4.1. Thí nghiệm 1: Xử lý sắt bằng cách kết hợp VLL hạt nổi và cát thạch anh anh
a) Chuẩn bị thí nghiệm.
- Lấy hết lớp vật liệu lọc cũ ra ngoài, rửa sạch bể lọc.
- Rửa vật liệu lọc mới bằng nƣớc sạch.
- Bỏ vật liệu lọc vào bể lọc theo thứ tự từ dƣới lên: sỏi đỡ 8cm, cát thạch anh 70 cm, hạt nổi PS 30 cm.
- Dùng lƣới chắn lọc để ngsăn trên bề mặt vật liệu lọc.
b) Tiến hành thí nghiệm.
- Đóng van xả đáy. - Đóng van đầu ra.
- Cho nƣớc sạch chảy vào bể lọc cho đến khi ngập vật liệu lọc. - Mở van xả đáy để rửa toàn bộ bể lọc.
- Sau khi rửa sạch toàn bộ bể lọc, đóng van xả đáy, mở van đầu ra.
- Nƣớc sau khi lấy từ xã Ninh Lộc về phòng thí nghiệm đƣợc đổ vào thùng chứa 60 lít.
- Tốc độ lọc: v = 7 m/h
- Tiến hành phân tích hàm lƣợng sắt đầu ra để đánh giá hiệu quả xử lý của vật liệu lọc. Mỗi ngày vận hành bể lọc 2 lần cho đến khi đầu ra đạt QCVN 02/2009 (≤ 0,5 mg/l) thì dừng lại.
2.3.4.2. Thí nghiệm 2: Xử lý sắt bằng cách kết hợp VLL hạt nổi có bọc lớp oxit mangan và cát thạch anh mangan và cát thạch anh
a) Chuẩn bị thí nghiệm.
- Lấy toàn bộ vật liệu lọc trong thí nghiệm (1) ra ngoài.
- Rửa sạch bể lọc và cát thạch anh mới bằng nƣớc sạch.
- Tiến hành phủ lớp oxit mangan cho hạt nổi PS. Cụ thể:
Thêm NaOH vào nƣớc để điều chỉnh pH của nƣớc lên 8,0.
Thêm 5g MnSO4.6H2O vào 3 lít nƣớc, sau đó ta cho vật liệu lọc hạt nổi vào và tiến hành sục khí cho đến khi thấy lớp vật liệu lọc đƣợc bọc bởi lớp oxit màu nâu đen.
Các phản ứng xảy ra:
MnSO4.6H2O + NaOH Mn(OH)2 + Na2SO4 Khi Mn(OH)2 tiếp xúc với không khí tạo thành MnO2 màu nâu:
2Mn(OH)2 + O2 2MnO2↓ + H2O - Theo dõi thời gian để lớp oxit bám vào vật
liệu lọc hạt nổi. Sau 7 ngày đã xuất hiện lớp màng oxit mangan màu nâu đen. - Bố trí các lớp vật liệu lọc vào bể lọc theo thứ tự nhƣ sau:
Chiều dày lớp sỏi đỡ: 8cm
Chiều dày lớp cát thạch anh: 70 cm
Hình 2.23. Quá trình ngâm VLL Hình 2.22. Mô hình thí nghiệm 2
Chiều dày lớp hạt nổi: 30 cm
- Dùng lƣới chắn lọc để ngăn trên bề mặt vật liệu lọc.
c) Tiến hành thí nghiệm.
Vận hành bể lọc tƣơng tự nhƣ thí nghiệm (1).
2.3.4.3. Thí nghiệm 3: Thí nghiệm xử lý sắt bằng cách kết hợp giàn mƣa và cát thạch anh thạch anh
a) Chuẩn bị thí nghiệm
- Lấy toàn bộ vật liệu lọc trong thí nghiệm (2) ra ngoài.
- Rửa sạch bể lọc và cát thạch anh mới bằng nƣớc sạch.
- Rửa sạch giàn mƣa bằng nƣớc sạch.
- Bỏ cát thạch anh vào bể lọc với chiều dày 70 cm, sỏi đỡ 8 cm.
- Dùng bơm bơm nƣớc sạch qua một vài lần để rửa toàn bộ bể lọc
b) Tiến hành thí nghiệm
- Dùng chậu để đổ nƣớc từ trên tầng cao nhất của giàn mƣa.
- Nƣớc chảy xuống thùng chứa (tầng 1) để lắng khoảng 30 phút. - Dùng bơm định lƣợng bơm nƣớc từ thùng chứa qua bể lọc. - Tốc độ lọc: 7 m/h.
- Chiều dày lớp nƣớc bảo vệ 8 cm.
- Tiến hành phân tích hàm lƣợng sắt đầu ra để đánh giá hiệu quả xử lý của vật liệu lọc. Mỗi ngày vận hành hệ thống thí nghiệm 2 lần cho đến khi đầu ra đạt QCVN 02/2009 (≤ 0,5 mg/l) thì dừng lại.
2.3.5. Các phƣơng pháp phân tích 2.3.5.1. Đo pH, nhiệt độ
Lắc đều mẫu rồi đổ khoảng 200 ml ra cốc thủy tinh để tiến hành đo. Sử dụng bình tia chƣa nƣớc cất để rửa sạch điện cực đầu đo rồi nhúng đầu đo vào trong cốc thủy tinh. Đợi đến khi giá trị pH, nhiệt độ trên máy ổn định rồi đọc kết quả trên màn hình.
2.3.5.2. Đo độ đục
Tiến hành đo độ đục bằng máy HACH - DR/2000. Các bƣớc tiến hành nhƣ sau: Bật máy vào mã chƣơng trình 750 Enter, điều chỉnh bƣớc sóng về 450nm. Lắc đều mẫu, lấy 50 ml vào cốc 100 ml
Cho nƣớc cất vào curvet ngang đến vạch trắng (25 ml), nhấn ZERO để đƣa độ đục về 0 FTU.
Cho mẫu vào curvet tƣơng tự nhƣ mẫu nƣớc cất, bấm READ và đọc kết quả xuất hiện trên màn hình.
2.3.5.3. Đo độ màu
Độ màu của mẫu nƣớc đƣợc xác định trên máy đo HACH - DR/2000 với chƣơng trình 120 ở bƣớc sóng λ = 455 nm. Cho nƣớc cất vào curvet đến vạch trắng, nhấn ZERO cho màn hình xuất hiện 0 Pt - Co. Sau đó cho mẫu vào curvet giống mẫu nƣớc cất, bấm READ đọc giá trị.
2.3.5.4. Phân tích sắt tổng [13]
a. Pha hóa chất
Sử dụng những hóa chất có hàm lƣợng sắt thấp và nƣớc cất không có sắt để chuẩn bị các dung dịch chuẩn.
- Hydrochloric acid (HCl) đậm đặc.
- Dung dịch Hidroxylamine: Hòa tan 10g NH2OH.HCl trong 100 ml nƣớc cất. - Dung dịch đệm Amonium acetat (NH4CH3COOH): Hòa tan 25 g NH3C2H3O2
trong 15 ml dung dịch nƣớc cất, thêm 70 ml acid axetic (CH3COOH) đậm đặc lắc đều và định mức nƣớc cất lên 100 ml.
- Dung dịch Phenathroline: cho 10 ml nƣớc cất chứa 100 mg phenalthroline C12H8N2.H2O, thêm 2 giọt acid đậm đặc, khuấy đều đến khi tan hoàn toàn, pha loãng thành 100 ml.
- Dung dịch lƣu trữ sắt (500 ppm): đổ 20 ml H2SO4 đậm đặc vào 50 ml nƣớc cất và thêm vào 1,7594 g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O. Sau khi dung dịch đồng nhất, pha thành 500 ml với nƣớc cất. (1 ml = 500 µg Fe)
- Dung dịch chuẩn: lấy 20 ml dung dịch lƣu trữ sắt cho vào bình định mức lên 1000 ml (1,00 ml = 10,00 µg Fe).
b. Tiến hành
Mẫu phải đƣợc lắc đều trƣớc khi phân tích. Lấy 25 ml mẫu cho vào bình tam giác. Thêm 2 ml HCl đậm đặc và 1 ml NH2OH.HCl. Thêm vài viên bi thủy tinh cho vào bình tam giác, đun sôi đến thể tích khoảng 15 – 20 ml (nếu mẫu bị cạn, cho thêm 2 ml HCl đậm đặc và 5 ml nƣớc cất).
Làm nguội mẫu ở nhiệt độ phòng, chuyển dung dịch sang bình định mức 50 ml, thêm 5 ml dung dịch đệm NH4CH3COOH và 2 ml dung dịch phenalthroline. Cho nƣớc cất lên vạch định mức và lắc đều, sau đó để khoảng 10 – 15p cho cƣờng độ màu đạt cực đại và ổn định. Đo độ hấp thụ trên máy UV - Vis ở bƣớc sóng 510 nm. Lập đƣờng chuẩn: Mẫu chuẩn 0 1 2 3 4 5 Vdd chuẩn, ml 0 2 4 6 8 10 Vnƣớc cất , ml 18 16 14 12 10 8 DD đệm Amonium acetat, ml 5 5 5 5 5 5 Vdd phenalthroline , ml 2 2 2 2 2 2 Định mức nƣớc cất, ml 50 ml Tính toán Hàm lƣợng C 0 20 40 60 80 100 Nồng độ C mg/L 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 Độ hấp thụ A Zero
c. Tính kết quả.
Vẽ giản đồ A = f(C), sử dụng phần mềm MS.Excel ta sẽ thành lập đƣợc phƣơng trình y = ax + b. Từ trị số hấp thụ AM của mẫu, tính nồng độ CM. Nếu AM nằm ngoài khoảng các trị số của dung dịch chuẩn thì phải pha loãng tới nồng độ thích hợp. Khi đó, tính CM phải nhân với hệ số pha loãng.
2.3.5.5. Phân tích độ cứng [5]
a. Pha hóa chất
Dung dịch complexom III 0,025M: hòa tan 9,306 g complexom III trong 1 lít nƣớc cất 2 lần.
KCN 5%: lấy 5 ml dung dịch KCN 98% định mức bằng nƣớc cất lên 100 ml. Eriocrom T đen: cân 0,1 g chất chỉ thị trộn với 20 g NaCl
Dung dịch đệm NH4OH + NH4Cl (pH = 10): hòa tan 25 g NH4Cl trong 100 ml nƣớc, thêm 200 ml NH4OH 20% sau đó thêm nƣớc cất lên 1000 ml.
NaOH 2M: hòa tan 8 g NaOH trong 100 ml nƣớc cất 2 lần.
HCl 0,1N: lấy ống chuẩn HCl 0,1N và định mức lên thành 1000 ml bằng nƣớc cất. Chỉ thị murexid: nghiền 1 g murexid với 100 g NaCl khan.
b. Tiến hành thí nghiệm
Xác định nồng độ Mg2+:
Cách tiến hành:
Cho vào bình nón 50 ml mẫu, 5 ml dung dịch đệm amoni, vài giọt KCN và 1 hạt chỉ thị Eriocrom T đen. Lắc đều mẫu, dung dịch có màu đỏ nho. Từ buret, nhỏ dung dịch chuẩn EDTA cho đến khi dung dịch chuyển sang màu xanh biếc. Ghi thể tích EDTA đã dùng (làm 2 đến 3 lần, lấy kết quả trung bình).
Tính kết quả: . .1000 EDTA m V C X V Trong đó:
C: nồng độ dung dịch EDTA, mol/L
Vm: thể tích mẫu nƣớc dùng để chuẩn độ, ml
Xác định nồng độ Ca2+
:
Cách tiến hành:
Cho vào bình nón 50 ml mẫu, 2 ml dung dịch NaOH 2M, vài giọt KCN và 1 hạt chỉ thị murexid. Lắc đều mẫu, dung dịch có màu đỏ. Từ buret nhỏ dung dịch chuẩn EDTA cho đến khi màu dung dịch chuyển từ màu đỏ sang tím. Ghi thể tích EDTA tiêu tốn. Tính kết quả: .1000 EDTA m V Y V Trong đó:
VEDTA: thể tích dung dịch chuẩn EDTA tiêu tốn, ml Vm: thể tích mẫu nƣớc dùng để chuẩn độ, ml
1000: 2 x 0,025 x 20 x 1000
2.3.6. Phƣơng pháp xử lý số liệu [1]
Đối với kết quả phân tích các chỉ tiêu ta dùng các phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm. Số liệu báo cáo phân tích các chỉ tiêu là trung bình của 3 lần phân tích, với độ tin cậy 95%, giá trị này chỉ có ý nghĩa về mặt thống kê.
Giả sử để xác định một đại lƣợng X ta tiến hành n thí nghiệm song song và thu đƣợc các giá trị X1, X2, X3,…, Xn. Lúc đó ta tính đƣợc các đại lƣợng sau:
- Giá trị trung bình: 1 n i n X X n - Độ lệch chuẩn: 2 1 ( ) n n i i X X S
- Số bậc tự do:
1
f n
- Khoảng tin cậy:
, n f P S X t n
Trong đó: Xn là giá trị trung bình, S là độ lệch chuẩn.
tf,P đƣợc tra từ Bảng 2.3 ứng với số bậc tự do f và độ tin cậy P
Kết quả phân tích đƣợc biểu diễn dƣới dạng Xn tf P, S n
Bảng 2.3. Bảng giá trị phân vị phân bố Student
Bậc tự do f Độ tin cậy P 90% 95% 99% 1 6,31 12,7 63,7 2 2,92 4,30 9,92 3 2,35 3,18 5,84 4 2,13 2,78 4,60 5 2,02 2,57 4,03 6 1,94 2,45 3,71 7 1,90 2,36 3,50 8 1,86 2,31 3,36 9 1,83 2,26 3,25 10 1,81 2,23 3,17 11 1,80 2,20 3,11 12 1,78 2,18 3,06