Luận văn thạc sĩ công nghệ môi trường nghiên cứu giải pháp kỹ thuật giảm thiểu nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ khử trùng cho nhà máy nước tân hiệp

Luận văn thạc sĩ công nghệ môi trường nghiên cứu giải pháp kỹ thuật giảm thiểu nguy cơ hình thành sản phẩm phụ khử trùng tại nhà máy nước Tân Hiệp.

• Tác giả: Trần Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Phước Dân
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật giảm thiểu nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ khử trùng cho nhà máy nước Tân Hiệp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. SỰ HÌNH THÀNH SẢN PHẨM PHỤ CỦA QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG
• 2.1.1. Giới thiệu về quá trình khử trùng
• 2.1.2. Các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng
• 2.1.3. Sự hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng
• 2.1.4. Độc tính của các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng
• 2.1.5. Các quy định, tiêu chuẩn về sản phẩm phụ của quá trình khử trùng
• 2.1.6. Các phương pháp kiểm soát sản phẩm phụ của quá trình khử trùng
• 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH OXY HÓA SƠ BỘ
• 2.2.2. Tiền oxy hóa bằng Kali Permanganate (KMnO4)
• 2.2.3. Tiền oxy hóa bằng Ozone
• 2.2.4. Các quá trình oxy hóa bậc cao
• 2.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 2.3.1. Các kết quả nghiên cứu trong nước có liên quan
• 2.3.2. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 2.4. HIỆN TRẠNG NGUỒN NƯỚC SÔNG SÀI GÒN VÀ NMN TÂN HIỆP
• 2.4.1. Chất lượng nước thô sông Sài Gòn
• 2.4.2. Hệ thống xử lý nước Nhà máy nước Tân Hiệp
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.2.1. Nội dung 1: Khảo sát xác định hiệu quả và liều lượng tác nhân oxy hóa phù hợp cho các quá trình tiền oxy hóa khác nhau
• 3.2.2. Nội dung 2: Thí nghiệm so sánh hiệu quả của các quá trình tiền oxy hóa KMnO4, ozone và chlorine
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 3.3.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu cơ bản
• 3.3.2. Phương pháp xác định nồng độ ozone phản ứng
• 3.3.3. Phương pháp xác định THM và THMFP
• 3.3.4. Phương pháp xác định TOC và DOC
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1
• 4.1.1. Ảnh hưởng của ozone hóa kết hợp với keo tụ đến độ đục, độ màu
• 4.1.2. Ảnh hưởng của ozone hóa kết hợp với keo tụ đến sắt và mangan
• 4.1.3. Ảnh hưởng của ozone hóa và keo tụ đến chất hữu cơ và THMFP
• 4.2. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1
• 4.2.1. Ảnh hưởng của oxy hóa KMnO4 và keo tụ đến độ đục, độ màu
• 4.2.2. Ảnh hưởng của oxy hóa KMnO4 và keo tụ đến sắt và mangan
• 4.2.3. Ảnh hưởng của oxy hóa KMnO4 và keo tụ đến chất hữu cơ và THMFP
• 4.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 2
• 4.3.1. So sánh hiệu quả loại bỏ độ màu độ đục
• 4.3.2. Hiệu quả loại bỏ sắt và mangan
• 4.3.3. Hiệu quả giảm thiểu chất hữu cơ và THMFP
• 4.3.4. Đánh giá hiệu quả, chi phí
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Luận văn nghiên cứu giải pháp kỹ thuật giảm thiểu sản phẩm phụ khử trùng tại Nhà máy nước Tân Hiệp, tập trung vào việc sử dụng các tác nhân oxy hóa thay thế như ozone và KMnO4 để giảm thiểu nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ khử trùng (DBPs). Nghiên cứu này nhằm đáp ứng nhu cầu cấp thiết trong việc cải thiện chất lượng nước sạch, đặc biệt trong bối cảnh chất lượng nguồn nước mặt tại Thành phố Hồ Chí Minh đang suy giảm nghiêm trọng.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Chất lượng nguồn nước sông Sài Gòn đang bị ảnh hưởng nặng nề bởi ô nhiễm từ các hoạt động công nghiệp và dân số tăng nhanh. Việc sử dụng chlorine trong quá trình khử trùng và tiền oxy hóa dẫn đến nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ khử trùng như Trihalomethanes (THMs) và Haloacetic acids (HAAs), gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm đánh giá hiệu quả của ozone và KMnO4 trong việc loại bỏ sắt, mangan, chất hữu cơ và giảm thiểu tiềm năng hình thành THMs. Kết quả nghiên cứu sẽ đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp để áp dụng tại Nhà máy nước Tân Hiệp.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm jartest để đánh giá hiệu quả của các tác nhân oxy hóa. Các mẫu nước thô được lấy từ sông Sài Gòn tại trạm bơm Hòa Phú. Quá trình tiền oxy hóa với KMnO4 và ozone được thực hiện, sau đó keo tụ với PAC để đánh giá hiệu quả xử lý.

2.1. Thí nghiệm với KMnO4

Thí nghiệm được thực hiện với liều lượng KMnO4 từ 1.5 mg/L đến 2.5 mg/L. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ sắt, mangan, CODMn và UV254 lần lượt là 86%, 75%, 54% và 46%. Độ đục và độ màu nước sau keo tụ cũng được giảm thiểu đáng kể.

2.2. Thí nghiệm với ozone

Thí nghiệm tiền ozone hóa được thực hiện với liều lượng ozone từ 0.5 mg/L đến 2 mg/L. Kết quả cho thấy hiệu quả loại bỏ sắt, mangan, TOC và THMFP lần lượt là 84%, 70%, 23% và 57%. Độ đục và độ màu nước sau keo tụ cũng được cải thiện đáng kể.

III. Kết quả và đánh giá

Nghiên cứu đã chứng minh rằng cả ozone và KMnO4 đều có hiệu quả cao trong việc giảm thiểu tiềm năng hình thành THMs so với quá trình tiền oxy hóa bằng chlorine. Cả hai phương pháp đều cải thiện đáng kể chất lượng nước sau xử lý.

3.1. So sánh hiệu quả

Kết quả cho thấy ozone có hiệu quả cao hơn trong việc loại bỏ chất hữu cơ và giảm thiểu THMFP, trong khi KMnO4 có hiệu quả tốt hơn trong việc loại bỏ sắt và mangan. Cả hai phương pháp đều cho thấy hiệu quả vượt trội so với chlorine.

3.2. Đề xuất giải pháp

Nghiên cứu đề xuất áp dụng ozone hoặc KMnO4 làm tác nhân tiền oxy hóa tại Nhà máy nước Tân Hiệp để giảm thiểu nguy cơ hình thành THMs và cải thiện chất lượng nước sạch.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của ozone và KMnO4 trong việc giảm thiểu sản phẩm phụ khử trùng tại Nhà máy nước Tân Hiệp. Các giải pháp kỹ thuật này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn đảm bảo an toàn sức khỏe cho người sử dụng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng nguồn nước mặt tại Thành phố Hồ Chí Minh đang đối mặt với tình trạng suy thoái nghiêm trọng do áp lực từ đô thị hóa và phát triển công nghiệp dọc lưu vực sông. Tại trạm bơm nước thô Hòa Phú thuộc huyện Củ Chi, nguồn nước sông Sài Gòn cung cấp cho Nhà máy nước Tân Hiệp thường xuyên ghi nhận nồng độ nhu cầu oxy hóa học COD vượt ngưỡng 10 mg/L, tổng carbon hữu cơ TOC dao động từ 4 đến 5 mg/L, cùng hàm lượng sắt và mangan lần lượt đạt khoảng 1,2 mg/L và 0,3 mg/L. Để xử lý các thành phần ô nhiễm này, nhà máy hiện phải sử dụng một lượng lớn chlorine trong giai đoạn tiền oxy hóa, dẫn đến phản ứng giữa chlorine dư và các hợp chất hữu cơ tự nhiên hình thành nên các sản phẩm phụ khử trùng độc hại, điển hình là nhóm Trihalomethanes và Haloacetic acids.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá thực nghiệm và so sánh hiệu quả của hai tác nhân oxy hóa thay thế gồm Ozone và Kali Permanganate kết hợp keo tụ bằng Polyaluminium Chloride ở liều lượng cố định 25 mg/L nhằm loại bỏ triệt để sắt, mangan, giảm thiểu chất hữu cơ và triệt tiêu tiềm năng hình thành sản phẩm phụ khử trùng. Đề tài được triển khai trong phạm vi thời gian 12 tháng từ tháng 07/2012 đến tháng 07/2013 với các mẫu nước thực tế lấy trực tiếp tại trạm bơm Hòa Phú.

Công trình có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra giải pháp kỹ thuật giúp cắt giảm trên 50% tiềm năng hình thành Trihalomethanes, bảo vệ sức khỏe cho hàng triệu người dân sử dụng nước sạch tại đô thị, đồng thời giúp các đơn vị cấp nước tiệm cận quy chuẩn quốc tế khắt khe của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ với giới hạn tổng Trihalomethanes dưới 0,08 mg/L thay vì mức giới hạn còn tương đối cao theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 01:2009/BYT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản ứng Haloform và động học quá trình oxy hóa nâng cao trong xử lý nước cấp. Phản ứng Haloform giải thích cơ chế chlorine tự do tấn công vào các nhóm chức hoạt động của hợp chất hữu cơ tự nhiên, đặc biệt là các cấu trúc vòng thơm humic và fulvic, làm đứt gãy mạch liên kết để tạo ra bốn hợp chất Trihalomethanes chính gồm Chloroform, Bromoform, Bromodichloromethane và Dibromochloromethane. Các chất này được xếp vào nhóm có nguy cơ gây ung thư cao và tổn thương gan thận kéo dài.

Bên cạnh đó, cơ sở lý thuyết oxy hóa hóa học chỉ rõ sự khác biệt về thế oxy hóa khử tiêu chuẩn giữa các chất: gốc tự do Hydroxyl đạt 2,80 V, phân tử Ozone đạt 2,07 V, Kali Permanganate đạt 1,68 V trong môi trường acid và 0,60 V trong môi trường kiềm, trong khi phân tử Chlorine chỉ đạt 1,36 V. Các khái niệm cốt lõi được vận dụng xuyên suốt gồm:

• Hợp chất hữu cơ tự nhiên: Tiền chất chính phản ứng với hóa chất khử trùng tạo sản phẩm phụ.
• Tiềm năng hình thành Trihalomethanes: Chỉ số định lượng lượng sản phẩm phụ tối đa phát sinh sau 7 ngày tiếp xúc chlorine dư.
• Độ hấp thụ tia cực tím tại bước sóng 254 nm: Thông số đặc trưng cho các hợp chất hữu cơ có chứa cấu trúc vòng thơm.
• Độ hấp thụ UV riêng: Tỷ số giữa giá trị UV254 và carbon hữu cơ hòa tan, phản ánh tính kỵ nước của chất hữu cơ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ nguồn nước thô sông Sài Gòn tại trạm bơm Hòa Phú qua các chu kỳ thủy văn khác nhau. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 40 mẻ thí nghiệm độc lập được lặp lại 3 lần nhằm triệt tiêu sai số ngẫu nhiên và đảm bảo tính chuẩn xác thống kê cao nhất. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo thời gian được áp dụng để bao quát sự biến động của nguồn nước mặt.

Quy trình thực nghiệm bao gồm:

• Mô hình Jartest 6 cánh khuấy tiêu chuẩn khảo sát dải liều lượng Kali Permanganate từ 1,0 đến 3,5 mg/L kết hợp keo tụ với Polyaluminium Chloride 25 mg/L.
• Mô hình cột tiếp xúc Ozone dòng chảy mẻ khảo sát dải liều lượng Ozone từ 0,5 đến 3,0 mg/L với thời gian phản ứng xác định, sau đó keo tụ bổ sung Polyaluminium Chloride 25 mg/L.
• Tất cả các chỉ tiêu lý hóa như độ đục, độ màu, sắt tổng, sắt II, mangan, COD, TOC, DOC, UV254 và THMFP được phân tích nghiêm ngặt theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN và Phương pháp Chuẩn Phân tích Nước và Nước thải của APHA-AWWA-WEF.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp sắc ký khí GC-ECD là nhằm định lượng chính xác từng cấu tử Trihalomethanes ở cấp độ microgam trên lít, phục vụ việc đối sánh trực tiếp với quá trình tiền chlorine hóa truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tiền ozone hóa kết hợp keo tụ tạo bông ghi nhận hiệu suất xử lý vượt bậc ở liều lượng Ozone tối ưu 2,0 mg/L. Tại mức nồng độ này, hiệu quả loại bỏ sắt tổng đạt 84%, mangan đạt 70%, carbon hữu cơ tổng TOC giảm 23% và tiềm năng hình thành Trihalomethanes THMFP giảm mạnh tới 57%. Đồng thời, độ đục và độ màu của nước sau lắng lọc được khử lần lượt 93% và 88%, mang lại chất lượng nước trong rõ rệt.

Quá trình tiền oxy hóa bằng Kali Permanganate ở liều lượng 2,5 mg/L kết hợp chất keo tụ PAC 25 mg/L thể hiện ưu thế vượt trội trong việc loại bỏ kim loại nặng và chất hữu cơ khó phân hủy. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu suất khử sắt tổng đạt 86%, mangan đạt 75%, chỉ số CODMn giảm 54% và độ hấp thụ UV254 giảm 46%. Độ đục tổng thể giảm tới 97% và độ màu giảm 75% so với mẫu nước thô đầu vào.

Khi so sánh với quá trình tiền chlorine hóa liều lượng 5,0 mg/L hiện hành tại Nhà máy nước Tân Hiệp, cả hai giải pháp tiền oxy hóa mới đều triệt tiêu hoàn toàn lượng Trihalomethanes tức thời sinh ra tại công đoạn đầu, đồng thời giảm trên 50% lượng tiền chất hữu cơ phản ứng với chlorine ở công đoạn khử trùng cuối cùng trên mạng lưới phân phối.

Sự hình thành hạt keo mangan dioxide MnO2 trong quá trình khử Kali Permanganate đóng vai trò là chất trợ keo tụ tự nhiên, làm gia tăng kích thước bông cặn và tăng tốc độ lắng cặn lên khoảng 1,5 lần so với keo tụ đơn thuần.

Thảo luận kết quả

Cơ chế xử lý của Ozone bắt nguồn từ khả năng cắt đứt các nối đôi liên hợp và phá hủy vòng thơm của acid humic, chuyển hóa các phân tử hữu cơ kỵ nước khối lượng lớn thành các hợp chất phân tử lượng nhỏ phân cực hơn, từ đó làm giảm trực tiếp chỉ số UV254 và chỉ số SUVA. Đối với Kali Permanganate, phản ứng oxy hóa nhanh chóng chuyển Fe2+ thành Fe(OH)3 kết tủa và Mn2+ thành MnO2 không tan. MnO2 mới sinh có hoạt tính bề mặt rất lớn, đóng vai trò như một chất hấp phụ thứ cấp giữ lại các chất hữu cơ hòa tan trước khi vào bể lắng.

So sánh với các công bố quốc tế về công nghệ tiền oxy hóa nước mặt, mức giảm 57% THMFP của Ozone và 54% COD của KMnO4 hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu xử lý nước sông tại Hoa Kỳ và Trung Quốc. Trong thực tế, dữ liệu thực nghiệm này có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ cột đa biến mô tả sự biến thiên hiệu suất khử sắt, mangan, UV254 theo từng dải liều lượng hóa chất, kết hợp với bảng ma trận tương quan giữa chỉ số SUVA và nồng độ Trihalomethanes hình thành để hỗ trợ kỹ sư vận hành đưa ra quyết định châm hóa chất chuẩn xác theo mùa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các bằng chứng thực nghiệm, luận văn đưa ra bốn giải pháp kỹ thuật trọng tâm:

1. Chuyển đổi công nghệ tiền oxy hóa tại trạm bơm nước thô: Thay thế hoàn toàn trạm châm chlorine sơ bộ hiện hữu tại Hòa Phú bằng hệ thống châm Kali Permanganate dạng dung dịch với liều lượng duy trì từ 2,0 đến 2,5 mg/L. Mục tiêu đạt hiệu suất loại bỏ sắt trên 85%, mangan trên 70% và giảm 50% lượng tiền chất THMs. Lộ trình thực hiện trong vòng 6 tháng do Tổng Công ty Cấp nước Sài Gòn SAWACO chủ trì.
2. Dời vị trí châm chlorine khử trùng về sau cụm bể lọc: Tái cấu trúc dây chuyền xử lý bằng cách chuyển điểm châm chlorine xuống sau bể lọc cát nhanh, chỉ duy trì hàm lượng chlorine dư từ 0,3 đến 0,5 mg/L phục vụ mạng lưới đường ống. Giải pháp này giúp cắt giảm 60% lượng chlorine tiêu thụ tại nhà máy trong vòng 3 tháng vận hành thử nghiệm.
3. Triển khai mô hình tiền Ozone hóa kết hợp than hoạt tính sinh học quy mô Pilot: Thiết kế và lắp đặt hệ thống ozone tiếp xúc công suất 20 m3/giờ với liều lượng ozone 1,5 - 2,0 mg/L kết hợp bể lọc than sinh học BAC nhằm loại bỏ triệt để các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và kiểm soát mùi vị triệt để. Thời gian thực hiện 12 tháng do Ban Quản lý Dự án Nhà máy nước Tân Hiệp điều phối.
4. Xây dựng hệ thống quan trắc tự động các chỉ tiêu tiền chất DBPs: Lắp đặt thiết bị đo trực tuyến UV254, TOC và thiết lập quy trình kiểm nghiệm định kỳ các hợp chất THMs và HAAs theo tiêu chuẩn quốc tế bằng thiết bị sắc ký khí. Đơn vị thực hiện là Trung tâm Kiểm định Chất lượng Nước SAWACO với tần suất quan trắc 1 lần/tuần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Ban giám đốc và kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước cấp: Tiếp cận quy trình công nghệ chi tiết, thông số vận hành liều lượng KMnO4 và PAC tối ưu để xử lý nước nguồn ô nhiễm sắt, mangan và hữu cơ, giúp tiết kiệm chi phí hóa chất và đảm bảo an toàn cấp nước.
2. Chuyên gia tư vấn thiết kế công trình cấp thoát nước: Vận dụng số liệu thực nghiệm để tính toán kích thước bể tiếp xúc ozone, công suất máy tạo khí ozone, hệ thống định lượng permanganate và lựa chọn dây chuyền công nghệ nâng cấp cho các đô thị lớn.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Môi trường: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về cơ chế hóa học của quá trình hình thành sản phẩm phụ khử trùng, phương pháp phân tích THMs/HAAs và mô hình động học oxy hóa nâng cao.
4. Cơ quan quản lý nhà nước và y tế dự phòng: Cung cấp cơ sở khoa học thực tế để hoàn thiện các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống, hỗ trợ xây dựng lộ trình siết chặt giới hạn cho phép của các hợp chất Trihalomethanes tiệm cận chuẩn mực quốc tế của Tổ chức Y tế Thế giới WHO.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao cần phải thay thế quá trình tiền chlorine hóa tại Nhà máy nước Tân Hiệp?

Nước sông Sài Gòn có nồng độ chất hữu cơ tự nhiên cao với TOC đạt 4 - 5 mg/L và ammonia cao. Khi châm chlorine ở đầu nguồn, chlorine phản ứng mãnh liệt với các chất hữu cơ này tạo ra lượng lớn Trihalomethanes và Haloacetic acids có độc tính cao, đe dọa trực tiếp sức khỏe cộng đồng qua đường nước uống.

KMnO4 mang lại ưu thế nổi bật gì khi thay thế chlorine trong xử lý nước thô?

KMnO4 là chất oxy hóa mạnh giúp khử triệt để 86% sắt và 75% mangan mà hoàn toàn không tạo ra sản phẩm phụ hữu cơ chứa halogen. Kết tủa MnO2 sinh ra còn hoạt động như chất trợ keo tụ, giúp tăng độ lắng của bông cặn PAC và giảm 46% chỉ số UV254 của nước sau xử lý.

Liều lượng Ozone 2,0 mg/L có làm gia tăng chi phí vận hành quá mức không?

Chi phí đầu tư ban đầu cho máy tạo khí Ozone tương đối lớn, nhưng Ozone khử trùng cực nhanh, giúp giảm 57% chỉ số THMFP và giảm thiểu lượng hóa chất keo tụ cần dùng. Khi kết hợp với than sinh học, hệ thống vận hành bền vững, loại bỏ mùi bùn đất và tiết kiệm chi phí chlorine dài hạn.

Làm thế nào để kiểm soát hiện tượng nước bị nhiễm màu tím khi dùng KMnO4?

Kiểm soát chặt chẽ liều lượng KMnO4 trong dải tối ưu từ 2,0 đến 2,5 mg/L và duy trì thời gian tiếp xúc phản ứng từ 5 đến 10 phút ở pH trung tính. Điều này đảm bảo toàn bộ ion permanganate chuyển hóa hoàn toàn thành kết tủa MnO2 và được giữ lại trọn vẹn tại bể lắng và bể lọc cát.

Chất keo tụ PAC 25 mg/L có cần thay đổi khi áp dụng công nghệ tiền oxy hóa mới không?

Mức liều lượng PAC 25 mg/L được giữ cố định theo đúng thực tế vận hành nhà máy và vẫn phát huy hiệu quả tạo bông xuất sắc. Khi có sự hỗ trợ của ozone hoặc MnO2, hiệu suất khử độ đục của PAC tăng lên từ 93% đến 97%, giúp tối ưu hóa chu kỳ rửa lọc của nhà máy.

Kết luận

• Đề tài đã khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước thô sông Sài Gòn tại trạm bơm Hòa Phú với đặc trưng ô nhiễm hữu cơ TOC từ 4 đến 5 mg/L, sắt 1,2 mg/L và mangan 0,3 mg/L gây áp lực lớn cho quy trình cấp nước sạch.
• Xác lập thành công liều lượng tiền ozone hóa tối ưu ở mức 2,0 mg/L kết hợp PAC 25 mg/L, giúp loại bỏ 84% sắt, 70% mangan và cắt giảm 57% tiềm năng tạo sản phẩm phụ Trihalomethanes.
• Chứng minh tính khả thi kỹ thuật vượt trội của giải pháp tiền oxy hóa bằng KMnO4 ở liều lượng 2,5 mg/L với hiệu suất khử 86% sắt, 75% mangan, 54% CODMn và 97% độ đục sau quá trình lắng lọc.
• Cung cấp luận cứ khoa học vững chắc để xóa bỏ công đoạn tiền chlorine hóa độc hại, giúp ngăn chặn triệt để nguy cơ phát sinh các hợp chất halogen gây ung thư thuộc nhóm B2 trong nước sạch đô thị.
• Hoàn thiện phương án chuyển giao công nghệ tiền xử lý kinh tế, dễ vận hành, có khả năng áp dụng tức thì cho các trạm cấp nước mặt công suất lớn tại Việt Nam.

Trong giai đoạn 6 tháng tiếp theo, các đơn vị vận hành cần tiến hành thử nghiệm dây chuyền Pilot công suất 50 m3/giờ tại hiện trường để hoàn thiện quy trình kiểm soát tự động trước khi triển khai đại trà. Hãy chủ động đổi mới công nghệ tiền xử lý nước cấp ngay hôm nay để mang lại nguồn nước sinh hoạt an toàn, tinh khiết và bền vững cho toàn xã hội.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Nƣớc sạch là một nhu cầu cơ bản và thiết yếu của con ngƣời. Ngày nay, ô nhiễm nguồn nƣớc là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm hàng đầu tại mỗi quốc gia đặc biệt là các nƣớc đang phát triển, trong đó có Việt Nam. Phát triển các hệ thống cung cấp nƣớc sạch và nâng cao chất lƣợng nƣớc để cung cấp nƣớc sạch một cách an toàn đến ngƣời sử dụng là yêu cầu tất yếu nhƣng cũng đầy thách thức đối với các hệ thống cấp nƣớc. Từ rất lâu, con ngƣời đã biết đến những căn bệnh có liên quan đến nguồn nƣớc ô nhiễm nhƣ tiêu chảy, dịch tả, thƣơng hàn, kiết lỵ, giun sán, các bệnh ngoài da, v.

Các bệnh liên quan đến nguồn nƣớc là một trong những nguy cơ luôn tiềm ẩn và là nguyên nhân gây ảnh hƣởng lớn đến sức khỏe cộng đồng. Để kiểm soát các mối nguy cơ này, hầu hết các hệ thống xử lý nƣớc đều áp dụng công đoạn khử trùng để tiêu diệt vi khuẩn, mầm bệnh trong nƣớc và kiểm soát chất lƣợng nƣớc trên đƣờng ống phân phối, tránh nguy cơ tái nhiễm. Bên cạnh đó, tiền oxy hóa để kiểm soát rong tảo, loại bỏ sắt, mangan, ammonia và các thành phần ô nhiễm trong nƣớc thô cũng là công đoạn quan trọng đối với các hệ thống xử lý nƣớc. Hiện nay, có nhiều tác nhân oxy hóa mạnh đƣợc sử dụng để tiền oxy hóa và khử trùng nƣớc, nhƣng ở các nƣớc đang phát triển chủ yếu sử dụng chlorine là tác nhân chính do có hiệu quả oxy hóa/khử trùng cao, chi phí phù hợp và khả năng tồn tại lâu trên đƣờng ống.

Bên cạnh hiệu quả tích cực, việc sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh trong khử trùng cũng nhƣ trong quá trình tiền oxy hóa nguồn nƣớc cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ. Các tác nhân oxy hóa mạnh nhƣ chlorine có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ tự nhiên (Natural Organic Matters) trong nƣớc để hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn đƣợc gọi chung là sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (Disinfection By Products). Các chất này có khả năng tác động bất lợi đối với sức khỏe của con ngƣời nhƣ gây ung thƣ, rối loạn thần kinh, ảnh hƣởng đến sức khỏe sinh sản [1]. Thành phố Hồ Chí Minh, chất lƣợng nguồn nƣớc mặt phục vụ cho cấp nƣớc sinh hoạt và công nghiệp hiện tại đang suy giảm nhanh chóng do áp lực từ quá trình tăng dân số, đẩy mạnh các hoạt động sản xuất công nghiệp dọc theo lƣu vực các sông chính [2,3].

Đáng chú ý là ô nhiễm ammonia, sắt, mangan và hữu cơ tại các nguồn nƣớc mặt quan trọng (nhƣ sông Đồng Nai, sông Sài Gòn) ngày càng tăng cao, dẫn đến nhu cầu chlorine sử dụng trong quá trình oxy hóa sơ bộ ban đầu, khử trùng tại nhà máy và duy trì dƣ tại các nhà máy nƣớc trƣớc khi cấp vào mạng lƣới phân phối cũng gia tăng đáng kể [3]. Đi kèm với sự gia tăng về chi phí xử lý nƣớc sạch và các vấn đề khó khăn trong quản lý vận hành của hệ thống cấp nƣớc, thì nguy cơ tăng khả năng hình thành các sản Trang 1 phẩm phụ của quá trình khử trùng (DBPs) trong nƣớc sạch (gồm các nhóm chính nhƣ Trihalomethanes và Haloacetic acids) đang tăng lên [3]. Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng những công nghệ xử lý nƣớc mới có khả năng kiểm soát và xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm, đáp ứng đƣợc yêu cầu xử lý đối với các nguồn nƣớc đang biến đổi theo chiều hƣớng xấu đi (đặc biệt nguồn nƣớc sông Sài Gòn), đồng thời hạn chế các nguy cơ, rủi ro về chất lƣợng nƣớc sạch, đảm bảo tính an toàn cho hệ thống nƣớc cấp là yêu cầu vô cùng cần thiết.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việc sử dụng chlorine trong xử lý nƣớc cấp ở giai đoạn oxy hóa sơ bộ và giai đoạn khử trùng là rất phổ biến (đặc biệt là tại Việt Nam) do chi phí giá thành rẻ, hoạt tính của chlorine cao, khử sắt, mangan và ammonia tốt, khử trùng hiệu quả và khả năng tồn tại dƣ lƣợng trên đƣờng ống giúp ngăn ngừa sự tái phát triển của vi sinh và tảo. Tuy nhiên, việc sử dụng chlorine với hàm lƣợng cao trong quá trình tiền oxy hóa và cả quá trình khử trùng cũng đem lại nhiều rủi ro.

Phản ứng giữa chlorine với các hợp chất hữu cơ tự nhiên trong nƣớc (NOMs) đã dẫn đến sự hình thành một số hợp chất hữu cơ có gốc halogen dễ bay hơi đã đƣợc xác định nhƣ trihalomethanes, haloacetic acids, haloacetonitriles, chlorophenols và chloral hydrate, v. Những DBPs này với độc tính cao, có khả năng gây nguy hiểm cho con ngƣời đang là một trong những mối quan tâm hàng đầu đối với sức khỏe cộng đồng bất chấp những lợi ích tích cực mang lại từ quá trình khử trùng [1]. Đặc biệt, khả năng hình thành các sản phẩm phụ của quá trình chlorine hóa cao khi sử dụng một lƣợng lớn chlorine (cho quá trình oxy hóa sơ bộ và quá trình khử trùng) trong điều kiện nguồn nƣớc ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng. Nguồn nƣớc sông Sài Gòn là một trong hai nguồn nƣớc mặt chủ yếu nƣớc phục cấp vụ ăn uống, sinh hoạt cho TP.Hồ Chí Minh.

Trong những năm gần đây, tình trạng ô nhiễm nguồn nƣớc sông Sài Gòn diễn biến theo chiều hƣớng phức tạp, trong đó các chỉ tiêu ô nhiễm nhƣ sắt, mangan, ammonia, vi sinh gây bệnh trong nguồn nƣớc luôn ở mức khá cao, đặc biệt là ô nhiễm hữu cơ ngày càng gia tăng với COD thƣờng xuyên vƣợt mức 10 mg/L và giá trị TOC luôn ở mức 4-5 mg/L [4]. Hàm lƣợng sắt, mangan và ammonia trong nƣớc thô cao nên nhu cầu sử dụng chlorine cho quá trình oxy hóa sơ bộ rất lớn, thậm chí có nhiều thời điểm vƣợt quá công suất hệ thống cung cấp chlorine của nhà máy nƣớc Tân Hiệp [5]. Điều này gây ra những khó khăn trong việc kiểm soát và duy trì ổn định chất lƣợng nƣớc sạch. Đồng thời, nhu cầu chlorine cao cùng với sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ tự nhiên (NOMs) trong nguồn nƣớc làm gia tăng khả năng hình thành các sản phẩm phụ của quá trình chlorine hóa tại Nhà máy nƣớc Tân Hiệp.

Thêm vào đó, việc sử dụng chlorine làm hóa chất khử trùng dẫn đến nguy cơ phát sinh thêm hàm lƣợng DBPs trong nƣớc sau xử lý. Trang 2 Mặc dù, theo các nghiên cứu khảo sát trƣớc đây cho thấy nồng độ các THMs trong nƣớc cấp ở Nhà máy nƣớc Tân Hiệp vẫn đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam nhƣng vẫn còn tƣơng đối cao so với các tiêu chuẩn tƣơng ứng của thế giới [7]. Hiện nay, cũng có một khoảng cách khá xa giữa tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới đối với nồng độ các DBPs trong nƣớc. Từ những vấn đề đã nêu trên, đề tài “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật giảm thiểu nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng nhà máy nƣớc Tân Hiệp” đƣợc thực hiện nhằm tìm ra giải pháp tiền oxy hóa phù hợp để nâng cao hiệu quả xử lý nƣớc, giảm thiểu nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng, góp phần nâng cao chất lƣợng và đảm bảo an toàn cho sức khỏe ngƣời sử dụng nƣớc.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là giảm thiểu nhu cầu tiêu thụ chlorine trong quy trình xử lý nƣớc cấp của Nhà máy nƣớc Tân Hiệp thông qua việc giảm hàm lƣợng các tác nhân ô nhiễm tiêu thụ chlorine chủ yếu trong nƣớc thô nhƣ sắt, mangan và chất hữu cơ, đồng thời xác định đƣợc tác nhân oxy hóa phù hợp thay thế cho chlorine. Nồng độ chlorine sử dụng thấp và hàm lƣợng chất hữu cơ thấp sẽ thuận lợi cho việc kiểm soát sự hình thành các DBPs trong nƣớc cấp trên mạng lƣới phân phối, hạn chế đƣợc các nguy cơ về chất lƣợng nƣớc tác động đến sức khỏe cộng đồng.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Những mục tiêu chính của đề tài gồm có: 1 Đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý các thành phần ô nhiễm nhƣ sắt, mangan, chất hữu cơ và tiềm năng hình thành THM đối với quá trình oxy hóa sơ bộ nguồn nƣớc thô sông Sài Gòn sử dụng tác nhân oxy hóa KMnO4 có kết hợp với keo tụ bằng PAC. 2 Đánh giá đƣợc hiệu quả xử lý các thành phần ô nhiễm nhƣ sắt, mangan, chất hữu cơ và tiềm năng hình thành THMs đối với quá trình oxy hóa sơ bộ nguồn nƣớc thô sông Sài Gòn sử dụng tác nhân oxy hóa ozone có kết hợp với keo tụ bằng PAC. 3 So sánh đƣợc hiệu quả xử lý các thành phần ô nhiễm nhƣ sắt, mangan, chất hữu cơ và tiềm năng hình thành THMs của các quá trình oxy hóa sơ bộ nguồn nƣớc thô sông Sài Gòn sử dụng tác nhân oxy hóa KMnO4 và ozone ở liều lƣợng phù hợp so với hiệu quả xử lý của quá trình tiền chlorine hóa hiện hữu tại Nhà máy nƣớc Tân Hiệp.

4 Đề xuất đƣợc phƣơng án tiền xử lý nƣớc thô phù hợp để giảm thiểu nguy cơ hình thành THMs cho nguồn nƣớc sông Sài Gòn.4 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Nguồn nƣớc thô sông Sài Gòn (chƣa qua chlorine hóa), đƣợc lấy trực tiếp từ trạm bơm nƣớc thô Hòa Phú, xã Hòa Phú, huyện Củ Chi. - Các tác nhân oxy hóa/khử trùng phổ biến nhƣ chlorine, ozone, kali permanganate (KMnO4).2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong thời gian 12 tháng, bắt đầu từ tháng 07/2012 đến tháng 07/2013 (thời gian thực nghiệm chính thức là 06 tháng từ tháng 12/2012 đến tháng 06/2013). - Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm. - Mẫu nƣớc đầu vào cho các thí nghiệm là mẫu nƣớc thực đƣợc lấy trên sông Sài Gòn tại trạm bơm nƣớc thô Hòa Phú của Nhà máy nƣớc Tân Hiệp.

- Thí nghiệm tiền oxy hóa chỉ khảo sát ảnh hƣởng của các liều lƣợng chất oxy hóa khác nhau lên hiệu quả xử lý chất hữu cơ, sắt, mangan, THMFP, v. Thí nghiệm không khảo sát ảnh hƣởng của pH, độ kiềm, thời gian tiếp xúc phản ứng đến hiệu quả của quá trình tiền oxy hóa. - Thí nghiệm keo tụ tạo bông của các mẫu nƣớc sau tiền oxy hóa chỉ thực hiện với một liều lƣợng chất keo tụ (PAC) cố định theo liều lƣợng sử dụng thực tế tại nhà máy nƣớc Tân Hiệp và không khảo sát ảnh hƣởng của các yếu tố pH, độ kiềm lên quá trình keo tụ. Liều lƣợng PAC sử dụng đƣợc lấy theo liều lƣợng trung bình thực tế sử dụng tại Nhà máy nƣớc Tân Hiệp trong cùng thời gian thực hiện đề tài.