2.1.3.1 Thiết bị
- Máy đo quang DR2000 - pH kế - Cân phân tích - Máy Jartest
- Bơm nước thải - Bơm định lượng hóa chất - Mô hình bể lắng - Mô hình bể điều hòa - Mô hình bể phản ứng keo tụ - Mô hình bể tạo bông
2.1.3.2 Dụng cụ
- Thùng đựng nước thô - Đũa thủy tinh
- Cốc thủy tinh 1000ml - Cốc thủy tinh 250ml - Cốc thủy tinh 100ml - Bình định mức 1000ml
- Pipet man - Ống đong 1000ml
- Ống đong 250 ml - Ống đong 100ml - Pipet 25 ml - Pipet 10 ml
- Bình định mức 100ml - Bình định mức 50ml
2.2 Nội dung nghiên cứu
Khảo sát quy trình xử lý nước cấp tại trung tâm cấp nước sạch khu công nghiệp Suối Dầu.
Thí nghiệm Jartest khảo sát ảnh hưởng của liều lượng PAC và PAFC đến hiệu suất keo tụ.
Thí nghiệm Jartest khảo sát ảnh hưởng pH đến hiệu suất keo tụ của PAC và PAFC.
Chạy mô hình thực nghiệm đánh giá chất lượng nước sau xử lý.
Lấy mẫu nước sau xử lý, phân tích các chỉ tiêu lý hóa. So sánh chất lượng nước sau keo tụ đối với chất keo tụ PAC và PAFC.
Đề xuất các biện pháp cho hệ thống xử lý nước cấp.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1Khảo sát quy trình xử lý nước cấp
Thực tập khảo sát hệ thống, quy trình xử lý nước của Trung tâm cấp nước sạch KCN Suối Dầu.
Ghi chép số liệu, kết quả trong quá trình thực tập, tìm kiếm thông tin liên quan đến hệ thống xử lý nước của Trung tâm cấp nước sạch KCN Suối Dầu.
2.3.2Phương pháp đo pH, nhiệt độ
Lắc đều mẫu trước khi đổ ra cốc 100mL để đo.
Rửa sạch điện cực bằng nước cất đựng trong bình tia.
Bật máy, nhúng điện cực vào mẫu cần đo.
Đợi cho giá trị pH trên máy ổn định rồi đọc trực tiếp kết quả trên màn hình.
Đọc giá trị nhiệt độ trên màn hình của máy đo pH. Ghi lại kết quả thu được.
Rửa sạch điện cực bằng nước cất, sau đó cho điện cực vào dung dịch bảo quản.
Hình 2.1 pH kế
2.3.3Phân tích độđục, độ màu
Phân tích độđục
Bật máy đo quang DR2000, vào chương trình 750, chỉnh bước sóng về 450nm, sau đó nhấn Enter trên màn hình sẽ xuất hiện mã chương trình đo độ đục có đơn vị là FTU.
Cho nước cất vào curvet ngang đến vạch trắng 25ml, nhấn ZERO chờ cho đến khi màn hình xuất hiện 0 FTU.
Lắc đều mẫu, lấy 25ml mẫu cho vào curvet tương tự như nước cất, nhấn READ rồi đọc giá trị xuất hiện trên màn hình.
Phân tích độ màu
Bật máy đo quang DR2000, vào chương trình 120, chỉnh bước sóng về 455nm, sau đó nhấn Enter trên màn hình sẽ xuất hiện mã chương trình đo độ màu có đơn vị là Pt-Co.
Cho nước cất vào curvet ngang đến vạch trắng 25ml, nhấn ZERO chờ cho đến khi màn hình xuất hiện 0 Pt-Co.
Lắc đều mẫu, lấy 25ml mẫu cho vào curvet tương tự như nước cất, nhấn READ rồi đọc giá trị xuất hiện trên màn hình.
Hình 2.2 Máy đo quang DR2000
2.3.4 Phân tích hàm lượng sắt
Phân tích theo SMEWW-3500 Fe
Nguyên tắc
Sắt trong mẫu nước được khử về dạng Fe2+ (tan trong nước) bằng cách đun sôi trong môi trường acid và hydroxylamine, sau đó Fe2+ tạo phức có màu với 1,10 phenanthrolein ở pH = 3,0 ÷ 3,3. Mỗi nguyên tử Fe2+ sẽ kết hợp với ba phân tử của phenanthrolein tạo thành phức chất màu đỏ cam.
Xây dựng đường chuẩn
Chuẩn bị 5 bình định mức loại 50ml đã rửa sạch bằng nước cất, đánh số thứ tự từ 1 → 5. Rồi lần lượt cho vào các bình có thể tích dung dịch như sau:
Bảng 2.1 Thí nghiệm xác định hàm lượng sắt
Số thứ tự 1 2 3 4 5
V ddchuẩn (mL) 0 1 3 5 7
V Nướccất (mL) 25 24 22 20 18
Dung dịch đệm ammonium acetate
(CH3COONH4) (mL) 5 5 5 5 5
V ddphenanthrolein(mL) 2 2 2 2 2
Định mức nước cất (mL) 50 50 50 50 50
Hàm lượng C (µg) 0 10 30 50 70
Nồng độ C (mg/l) 0 0.2 0.6 1 1.4
Sau khoảng 10 đến 15 phút cho cường độ màu đạt cực đại và ổn định. Đo độ hấp thụ trên máy UV – Vis ở bước sóng 510nm.
Tiến hành đo mẫu
Mẫu phải được lắc đều trước khi phân tích, lấy 25ml mẫu cho vào erlen. Thêm 2ml HCl đậm đặc và 1ml NH2OH.HCl. Thêm vài viên bi thủy tinh vào erlen, đun sôi đến thể tích còn khoảng 15 đến 20ml (nếu mẫu bị cạn, cho vào 2ml HCl đậm đặc và 5ml nước cất).
Làm nguội mẫu ở nhiệt độ phòng, chuyển dung dịch vào bình định mức 50ml, thêm 5ml dung dịch đệm CH3COONH4 và 2ml dung dịch phenanthrolein. Cho nước cất tới vạch định mức và lắc đều, sau đó để khoảng 10 đến 15 phút cho cường độ màu đạt cực đại và ổn định. Đo độ hấp thụ trên máy UV – Vis ở bước sóng 510nm.
Tính kết quả
Vẽ giản đồ A = f(C), sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để thành lập phương trình y = ax + b. Từ trị số độ hấp thụ AM của mẫu, tính nồng độ CM .Nếu trị số AM của mẫu vượt quá các trị số của dung dịch chuẩn phải pha loãng tới nồng độ thích hợp.
2.3.5 Thí nghiệm đánh giá quá trình keo tụ. 2.3.5.1 Thí nghiện Jartest 2.3.5.1 Thí nghiện Jartest
Pha hóa chất
Dung dịch chuẩn PAC 2% (20g/L) : cân 20g PAC, hòa tan bằng nước cất và định mức lên 1L.
Dung dịch chuẩn PAFC 2,5% (25ml/l) : dùng Pipet hút 25ml dung dịch PAFC đậm đặc cho vào bình định mức 1L, sau đó định mức lên 1L bằng nước cất.
Dung dịch NaOH 2%, NaOH 5% và HCl 2%, HCl 5% .
Lấy 500ml mẫu cho vào cốc 1000ml. Dùng dung dịch NaOH, HCl ở các nồng độ khác nhau để điều chỉnh pH theo bảng kế hoạch thực nghiệm.
Chỉnh tốc độ khuấy lên 150 rpm trong 2 phút, sau đó châm PAC (hoặc PAFC) vào rồi bật máy khuấy. Sau 2 phút cho quay chậm trong 20 phút ở tốc độ 20rpm. Hàm lượng PAC (hoặc PAFC) châm vào theo bảng kế hoạch thực nghiệm.
Tắt máy khuấy, để lắng tĩnh trong 30 phút. Đánh giá cảm quan về tốc độ lắng của nước trong quá trình để lắng và độ trong của nước sau khi lắng.
Tiến hành lấy mẫu nước lắng (phần nước phía trên) để phân tích chỉ tiêu độ đục bằng máy HACH DR-2000.
Hiệu suất keo tụ được tính theo công thức : o o T T E 100% T
Trong đó : - To : độ đục ban đầu của mẫu [FTU]
Hình 2.3 Máy Jartest
2.3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng PAC và pH đến hiệu suất keo tụ.
Thí ngiệm này nhằm mục đích khảo sát ảnh hưởng của liều lượng PAC và pH đến khả năng keo tụ, từ đó làm cơ sở cho thí nghiệm tối ưu hóa theo phương án trực giao cấp 2.
Thí nghiệm 1: Khảo sát liều lượng PAC đến hiệu suất keo tụ.
Thực hiện thí nghiệm jartest theo bảng kế hoạch thực nghiệm sau, để từ đó xác định liều lượng PAC tốt nhất tương ứng với mẫu có hiệu suất keo tụ cao nhất.
Bảng 2.2 Kế hoạch thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng PAC đến hiệu suất keo tụ
STT VPAC/500mL nước thô [mL] Nồng độ [mg/L] pH 1 0 0 Cố định giá trị pH ban đầu ở tất cả các mẫu 2 0,1 4 3 0,2 8 4 0,3 12 5 0,4 16 6 0,5 20 7 0,6 24 8 0,7 28 9 0,8 32 10 0,9 36 11 1,0 40
Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất keo tụ
Thí nghiệm này nhằm xác định khoảng pH tối ưu cho quá trình keo tụ sau khi đã xác định được nồng độ PAC tối ưu từ thí nghiệm 1.
Ta cố định liều lượng PAC là 0,4 ml/ 500ml nước thô (tương ứng với nồng độ 16 mg/L) và thay đổi giá trị pH từ 3 – 9, và pH ban đầu của nước thô. Sau đó làm thí nghiệm jartest khảo sát khoảng pH tối ưu (khoảng pH tối ưu ứng với các mẫu cho hiệu suất keo tụ cao nhất).
Bảng 2.3 Kế hoạch thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất keo tụ khi giữ nguyên liều lượng PAC.
STT VPAC/500mL nước thô [mL] Nồng độ [mg/L] pH 1 0,4 16 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9
2.3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của liều lượng PAFC và pH đến hiệu suất keo tụ.
Thí ngiệm này nhằm mục đích khảo sát ảnh hưởng của liều lượng PAFC và pH đến khả năng keo tụ, từ đó làm cơ sở cho thí nghiệm tối ưu hóa theo phương án trực giao cấp 2.
Thí nghiệm 3: Khảo sát liều lượng PAFC đến hiệu suất keo tụ.
Tương tụ như PAC, thực hiện thí nghiệm jartest theo bảng kế hoạch thực nghiệm sau, để từ đó xác định liều lượng PAFC tốt nhất tương ứng với mẫu có hiệu suất keo tụ cao nhất.
Bảng 2.4 Kế hoạch thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng PAFC đến hiệu suất keo tụ
STT VPAFC/500mL nước thô [mL] Nồng độ [µL/L] pH 1 0 0 Cố định giá trị pH ban đầu ở tất cả các mẫu 2 0,1 5 3 0,2 10 4 0,3 15 5 0,4 20 6 0,5 25 7 0,6 30 8 0,7 35 9 0,8 40 10 0,9 45 11 1,0 50
Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất keo tụ
Tương tụ với PAC, thí nghiệm này nhằm xác định khoảng pH tối ưu cho quá trình keo tụ sau khi đã xác định được nồng độ PAFC tối ưu từ thí nghiệm 3.
Ta cố định liều lượng PAFC là 0,5 ml/ 500ml nước thô (tương ứng với nồng độ 25 µL/L) và thay đổi giá trị pH từ 3 – 9, và pH ban đầu của nước thô. Sau đó làm thí nghiệm jartest khảo sát khoảng pH tối ưu (khoảng pH tối ưu tương ứng với các mẫu cho hiệu suất keo tụ cao nhất).
Bảng 2.5 Kế hoạch thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của pH đến hiệu suất keo tụ khi giữ nguyên liều lượng PAFC
STT VPAFC/500mL nước thô [mL] Nồng độ [µL /L] pH 1 0,5 25 3 2 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9
2.3.5.4 Tối ưu hóa quá trình keo tụ theo phương án trực giao cấp hai.
Để có thể khảo sát sự ảnh hưởng đồng thời của pH và hàm lượng PAC (hoặc PAFC) đến hiệu suất keo tụ, cũng như tìm ra điều kiện keo tụ tối ưu nhất, ta sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo phương án trực giao cấp hai để tìm ra phương trình tương quan hồi quy cấp hai biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất keo tụ với giá trị pH và hàm lượng PAC (hoặc PAFC).
Gọi y là hiệu suất keo tụ, X1 là giá trị pH, X2 là thể tích PAC 2% ( hoặc PAFC 2,5%) ứng với 500ml nước thô. Mô hình hồi quy cấp hai có dạng :
2 2
1 1 2 2 12 1 2 11 1 22 2
yb X b X b X X b X b X Số thí nghiệm ở tâm được chọn là no 3.
Tổng số thí nghiệm là N2k 2kno 11
Khi đó cánh tay đòn sao là nghiệm của phương trình :
4 k 2 k 1
o
2 2 (k 0,5n ) 0
Thế k2 và no 3 vào ta được α là nghiệm của phương trình sau:
4 2
4 7 0 1,15
Miền khảo sát đối với X1 và X2 được chọn từ khoảng pH tối ưu và khoảng hàm lượng PAC (hoặc PAFC) tối ưu từ thí nghiệm 1,2 (hoặc thí nghiệm 3,4).
Kế hoạch thực nghiệm được thể hiện qua bảng sau :
Bảng 2.6 Ma trận quy hoạch trực giao cấp hai, hai yếu tố
Các thông số vận hành và điều kiện về thí nghiệm Jartest được thực hiện giống với các thí nghiệm trên.
STT X1 X2 X1X2 y 1 –1 –1 +1 y1 2 +1 –1 –1 y2 3 –1 +1 –1 y3 4 +1 +1 +1 y4 5 ( 1,15 ) 0 0 y5 6 ( 1,15 ) 0 0 y6 7 0 ( 1,15 ) 0 y7 8 0 ( 1,15 ) 0 y8 9 0 0 0 y9 10 0 0 0 y10 11 0 0 0 y11
Mẫu nước cũng được đo giá trị pH và độ đục trước và sau khi thực hiện thí nghiệm Jartest.
2.3.6 Thử nghiệm mô hình
2.3.6.1 Lấy mẫu nước thí nghiệm
Mẫu nước thô được lấy từ trạm bơm cấp I Trung tâm cấp nước sạch Khu Công Nghiệp Suối Dầu, được vận chuyển về Phòng thí nghiệm Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường Trường Đại học Nha Trang.
2.3.6.2 Chuẩn bị hóa chất
- Dung dịch chuẩn gồm PAC 2%, PAFC 2,5%.
- Dung dịch HCl 2% và NaOH 2% dùng để điều chỉnh pH.
2.3.6.3 Các thông số thiết kế của mô hình
Bể điều hòa
- Kích thước bể L x B x H: 350 x 350 x 450 mm - Thành bể dùng kính dày 8mm
- Chiều cao mực nước trong bể: 420 mm - 1 van xả đáy Ф = 20mm
- 1 van xả tràn Ф = 20mm - Khung làm bằng thép V4 - Chiều cao chân thép 650mm
Hình 2.4 Mô hình bể điều hòa Bể keo tụ
- Kích thước bể L x B x H: 190 x 190 x 300 mm - Đáy hình chóp, góc nghiêng 45o
- Thành bể dùng kính dày 8mm
- Chiều cao mực nước trong bể: 285 mm - 1 van đưa nước thải vào đáy bể Ф = 20mm - 1 van đưa hóa chất vào đáy bể Ф = 20mm
- 1 van dẫn nước sau khuấy trộn qua lắng Ф = 20mm - Khung làm bằng thép V4
- Chiều cao chân thép 650mm
Hình 2.5 Mô hình bể keo tụ Bể tạo bông - Kích thước bể L x B x H: 345 x 345 x 422mm - Đáy hình chóp, góc nghiêng 45o - 1 van xả đáy Ф = 20mm - 1 van xả tràn Ф = 20mm - Thành bể dùng kính dày 8mm
- Chiều cao mực nước trong bể: 420 mm - Khung làm bằng thép V4
- Chiều cao chân thép 1430mm
Hình 2.6 Mô hình bể tạo bông Bể lắng
- Thời gian lưu nước 30 phút
- Kích thước bể L x B x H: 370 x 370 x 220mm - Đáy hình chóp, góc nghiêng 45o
- Ống trung tâm: 55 x 55 x 130 mm - Van đưa nước qua lọc Ф = 20mm - 1 van xả đáy Ф = 20mm
- Máng dẫn nước sạch sau lắng rộng 30mm - Gờ tràn cao 25 mm
- Thành bể dùng kính dày 8mm - Khung làm bằng thép V4.
Hình 2.7 Mô hình bể lắng
2.3.6.4 Vận hành mô hình a) Bể điều hòa a) Bể điều hòa
- Cho mẫu nước thô vào bể.
- Dùng NaOH hoặc HCl điều chỉnh pH về giá trị tối ưu từ kết quả thí nghiệm tối ưu hóa theo phương án cấu trúc có tâm cấp 2 trên bộ máy Jartest.
- Bật máy sục khí trong bể để tránh cặn lắng và quá trình phân giải yếm khí trong bể, đồng thời để điều hòa chất lượng nước thải.
b) Bể keo tụ
- Bật máy khuấy với tốc độ 150rpm, trong thời gian 2 phút.
- Bật máy bơm nước thải có công suất 101L/h từ bể điều hòa sang bể keo tụ. - Bật máy bơm định lượng có công suất 3G/h (chỉnh ở mức 0.2 tương đương 0,1G/h) để bơm dung dịch PAC hoặc PAFC từ thùng trộn hóa chất sang bể keo tụ.
- Mở van dẫn nước từ bể keo tụ sang bể tạo bông.
- Nước thải sau khi được khuấy trộn với PAC (hoặc PAFC) trong 2 phút, sau đó nước thải theo vòi tự chảy qua bể tạo bông.
c) Bể tạo bông
- Bật máy khuấy với tốc độ 20rpm, trong thời gian 20 phút.
- Nước thải khi sang bể phản ứng tạo bông được khuấy trộn với cường độ nhẹ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kết dính hạt keo. Thời gian phản ứng tạo