Nghiên cứu giải pháp xử lý amoni trong nước ngầm tại nhà máy nước sạch Hà Đông

• Tác giả: Hoàng Văn Duy
• Người hướng dẫn: PGS. Đoàn Thu Hà
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hạ tầng
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Pháp Xử Lý Amoni Trong Nước Ngầm Tại Nhà Máy Nước Sạch Hà Đông
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 20
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM DOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM
• 1.1. Tổng quan về hiện trạng sử dụng nước ngầm và ô nhiễm amoni vùng Hà Đông
• 1.2. Hiện trạng cấp nước vùng Hà Đông
• 1.3. Vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên vùng Hà Đông
• 1.4. Đặc trưng chất lượng nước ngầm khu vực Hà Nội
• 1.5. Nguồn gốc amoni trong nước ngầm
• 1.6. Tác hại của amoni trong nước sinh hoạt
• 1.7. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và Quốc tế
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TẠI HÀ ĐÔNG
• 2.1. Các phương pháp xử lý amoni
• 2.1.1. Xử lý bằng chất oxy hóa
• 2.1.2. Xử lý amoni bằng kiểm hóa và làm thoáng
• 2.1.3. Phương pháp trao đổi ion
• 2.1.4. Xử lý amoni bằng thực vật
• 2.1.5. Quá trình ANAMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation)
• 2.1.6. Quá trình SHARON (Single reactor High activity Ammonium Removal Over Nitrite)
• 2.1.7. Xử lý amoni bằng phương pháp sinh học truyền thống
• 2.2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và màng vi sinh
• 2.2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2.3. Màng vi sinh
• 2.2.4. Vật liệu mang di động
• 2.2.5. Các loại bể sinh học sử dụng kỹ thuật màng vi sinh
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ AMONI TRONG NƯỚC NGẦM TẠI CƠ SỞ BA LA NHÀ MÁY NƯỚC SẠCH HÀ ĐÔNG
• 3.1. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2. Kết quả và thảo luận
• 3.2.1. Xác định thời gian hoạt hóa hệ vi sinh vật
• 3.2.2. Hiệu quả xử lý Amoni
• 3.2.3. Hiệu quả xử lý Sắt và Mangan
• 3.2.4. Ảnh hưởng của các yếu tố khác
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

I. Tổng quan về xử lý amoni trong nước ngầm

Nước ngầm là nguồn tài nguyên quý giá, nhưng ô nhiễm amoni đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều khu vực, đặc biệt là tại Hà Đông. Xử lý amoni là một trong những thách thức lớn mà các nhà máy nước sạch phải đối mặt. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, nồng độ amoni cho phép trong nước sinh hoạt là 3 mg/L, trong khi thực tế, nồng độ amoni tại nhiều khu vực ở Hà Đông đã vượt quá mức này, lên tới 19 mg/L. Tình trạng này không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng mà còn gây ra những khó khăn trong việc cung cấp nước sạch Hà Đông. Các yếu tố như việc khoan giếng không đúng tiêu chuẩn và sự thải bỏ chất thải chưa qua xử lý là những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm. Các nhà máy nước hiện đang áp dụng nhiều công nghệ khác nhau để xử lý nước và cải thiện chất lượng nước, nhưng hiệu quả vẫn chưa đạt yêu cầu.

1.1. Tình hình ô nhiễm amoni trong nước ngầm

Ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Hà Đông đã trở thành một vấn đề đáng lo ngại. Theo các nghiên cứu, nồng độ amoni trong nước ngầm đã tăng đáng kể trong những năm qua. Ô nhiễm nước ngầm không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt mà còn gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe con người, đặc biệt là trẻ em và phụ nữ mang thai. Các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người như phân hủy chất hữu cơ và thải bỏ chất thải chưa qua xử lý đã góp phần làm tăng nồng độ amoni trong nước. Việc kiểm soát ô nhiễm amoni là cần thiết để đảm bảo nguồn nước sạch và an toàn cho cộng đồng.

II. Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm amoni, nhiều công nghệ xử lý amoni đã được nghiên cứu và áp dụng tại các nhà máy nước sạch. Các phương pháp như kiểm soát ô nhiễm, công nghệ xử lý nước sạch và xử lý nước thải đang được triển khai. Phương pháp trao đổi ion, oxy hóa và xử lý sinh học là những công nghệ tiêu biểu. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, và việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng nhà máy. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp nhiều phương pháp xử lý có thể nâng cao hiệu quả loại bỏ amoni trong nước ngầm. Đặc biệt, công nghệ màng vi sinh đang được xem xét như một giải pháp khả thi để xử lý amoni tại nhà máy nước sạch Hà Đông.

2.1. Các phương pháp xử lý amoni

Có nhiều phương pháp xử lý amoni được áp dụng tại các nhà máy nước, bao gồm: xử lý bằng oxy hóa, xử lý bằng kiểm soát hóa và làm thoáng, và phương pháp trao đổi ion. Mỗi phương pháp có những yêu cầu kỹ thuật và điều kiện vận hành khác nhau. Ví dụ, phương pháp oxy hóa yêu cầu nồng độ oxy hòa tan cao, trong khi phương pháp trao đổi ion có thể tốn kém về chi phí vận hành. Việc lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp cần dựa trên đặc điểm nguồn nước và yêu cầu chất lượng nước sau xử lý.

III. Đánh giá hiệu quả xử lý amoni tại nhà máy nước sạch Hà Đông

Đánh giá hiệu quả xử lý amoni tại nhà máy nước sạch Hà Đông là một bước quan trọng để xác định tính khả thi của các công nghệ đã áp dụng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hiệu quả xử lý amoni có thể đạt từ 70% đến 90% tùy thuộc vào công nghệ và điều kiện vận hành. Việc theo dõi và kiểm soát ô nhiễm là cần thiết để đảm bảo rằng nồng độ amoni trong nước sau xử lý đạt yêu cầu. Ngoài ra, việc cải tiến quy trình xử lý và nâng cao chất lượng nước là một nhiệm vụ cấp bách để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dân về nước uống an toàn.

3.1. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ xử lý mới đã mang lại hiệu quả tích cực trong việc giảm nồng độ amoni trong nước ngầm. Các thí nghiệm cho thấy rằng nồng độ amoni sau xử lý có thể giảm xuống dưới mức cho phép, đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Việc này không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ nguồn nước ngầm khỏi ô nhiễm. Hệ thống cần được duy trì và nâng cấp thường xuyên để đảm bảo hoạt động hiệu quả và bền vững.

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của ngành, công suất khai thác nước ngầm tại Hà Nội chiếm khoảng 77% tổng công suất cấp nước đô thị, với sản lượng trung bình trên 994.637 m³/ngày năm 2014. Tuy nhiên, tình trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại khu vực Hà Đông đang là vấn đề nghiêm trọng, với nồng độ amoni dao động từ 10 đến 19 mg NH₄-N/L, vượt xa mức cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam (QCVN 01:2009/BYT) là 2,3 mg NH₄-N/L. Ô nhiễm amoni không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt mà còn gây ra các tác hại nghiêm trọng về sức khỏe như thiếu máu, ngộ độc, đặc biệt nguy hiểm với trẻ em và phụ nữ mang thai.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá hiện trạng xử lý amoni trong nước ngầm tại Hà Đông và đề xuất giải pháp công nghệ phù hợp để xử lý amoni tại cơ sở Ba La, nhà máy nước sạch Hà Đông. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nước ngầm khu vực Hà Đông, với các mẫu nước thô và nước sau xử lý tại nhà máy Ba La. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng nước sạch, đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng và góp phần phát triển bền vững hệ thống cấp nước đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về xử lý amoni trong nước ngầm, bao gồm:

• Quá trình nitrat hóa (Nitrification): Quá trình sinh học oxy hóa amoni thành nitrit và nitrat do vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện trong môi trường hiếu khí.
• Quá trình khử nitrat (Denitrification): Quá trình chuyển hóa nitrat thành khí nitơ trong điều kiện kỵ khí, sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn electron.
• Công nghệ màng vi sinh chuyển động (MBBR): Sử dụng vật liệu mang vi sinh dạng hạt chuyển động trong bể phản ứng để tăng diện tích bề mặt sinh học, nâng cao hiệu quả xử lý amoni.
• Các khái niệm chính: Amoni (NH₄⁺), nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻), pH, độ kiềm, oxy hòa tan (DO), tải lượng amoni, vật liệu mang vi sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo sát thực tế và thí nghiệm mô hình pilot:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu chất lượng nước ngầm tại các giếng khoan và nhà máy nước Ba La, Hà Đông; dữ liệu vận hành hệ thống xử lý hiện tại; tài liệu khoa học liên quan.
• Phương pháp lấy mẫu: Lấy mẫu nước thô và nước sau xử lý theo quy chuẩn QCVN 09-MT:2015/BTNMT, đảm bảo tính đại diện và bảo quản mẫu đúng quy định.
• Phương pháp phân tích: Phân tích các chỉ tiêu amoni, sắt, mangan, pH, DO, độ kiềm bằng thiết bị hiện đại tại phòng thí nghiệm; sử dụng phương pháp thống kê và mô hình hóa để đánh giá hiệu quả xử lý.
• Timeline nghiên cứu: Khảo sát hiện trạng và thu thập số liệu trong 6 tháng đầu; xây dựng và vận hành mô hình pilot trong 6 tháng tiếp theo; phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong 3 tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiện trạng ô nhiễm amoni: Nồng độ amoni trong nước ngầm tại Hà Đông dao động từ 10 đến 19 mg NH₄-N/L, vượt mức cho phép 4-8 lần. Tại nhà máy Ba La, nồng độ amoni sau xử lý vẫn còn ở mức 7-18 mg/L, chưa đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
2. Hiệu quả xử lý hiện tại: Công nghệ xử lý truyền thống gồm làm thoáng, lắng, lọc nhanh và khử trùng bằng clo chỉ loại bỏ được 30-50% amoni, không đáp ứng yêu cầu chất lượng nước sinh hoạt.
3. Hiệu quả xử lý bằng công nghệ màng vi sinh MBBR: Mô hình pilot sử dụng vật liệu mang vi sinh PE02 cho hiệu suất loại bỏ amoni đạt 85-95% với tải lượng amoni đầu vào 0,24-0,48 kg NH₄-N/m³/ngày. Nồng độ amoni đầu ra giảm xuống dưới 1,5 mg/L, đáp ứng tiêu chuẩn.
4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: pH duy trì trong khoảng 7,1-7,5, DO từ 2,0-3,5 mg/L, nhiệt độ ổn định 20-25°C tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật nitrat hóa phát triển. Hàm lượng sắt và mangan giảm đáng kể sau xử lý, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý amoni.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy công nghệ màng vi sinh chuyển động (MBBR) là giải pháp hiệu quả để xử lý amoni trong nước ngầm tại Hà Đông, vượt trội so với công nghệ truyền thống. Việc sử dụng vật liệu mang vi sinh giúp tăng diện tích bề mặt sinh học, duy trì mật độ vi sinh cao và ổn định trong điều kiện vận hành thực tế. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, hiệu suất xử lý amoni của mô hình pilot đạt mức cao tương đương hoặc vượt trội, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong sinh trưởng vi sinh vật, biểu đồ diễn biến nồng độ amoni trước và sau xử lý, bảng so sánh hiệu quả xử lý giữa các công nghệ. Các yếu tố môi trường như pH, DO và nhiệt độ được theo dõi chặt chẽ để đảm bảo điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai công nghệ MBBR quy mô lớn: Áp dụng hệ thống màng vi sinh chuyển động tại các đơn nguyên bể lọc của nhà máy nước Ba La trong vòng 12 tháng để nâng cao hiệu quả xử lý amoni, đảm bảo nước đầu ra đạt tiêu chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
2. Tăng cường giám sát và điều chỉnh vận hành: Thiết lập hệ thống giám sát liên tục các chỉ tiêu pH, DO, nhiệt độ và nồng độ amoni để điều chỉnh kịp thời, duy trì điều kiện tối ưu cho vi sinh vật nitrat hóa.
3. Đào tạo nhân sự vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật về vận hành và bảo trì hệ thống MBBR, nâng cao năng lực quản lý và xử lý sự cố trong vòng 6 tháng.
4. Nghiên cứu bổ sung xử lý amoni kết hợp: Khảo sát và thử nghiệm các phương pháp bổ sung như quá trình Anammox hoặc SHARON để xử lý amoni nồng độ cao, hướng tới giải pháp xử lý toàn diện và tiết kiệm năng lượng trong 2 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành nhà máy nước: Nhận biết được tình trạng ô nhiễm amoni và áp dụng công nghệ xử lý hiệu quả, nâng cao chất lượng nước cấp.
2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình xử lý và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài liên quan.
3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách, quy chuẩn và giám sát chất lượng nước.
4. Các doanh nghiệp cung cấp thiết bị và công nghệ xử lý nước: Đánh giá hiệu quả công nghệ màng vi sinh MBBR, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao amoni trong nước ngầm lại gây nguy hiểm cho sức khỏe?
   Amoni khi tiếp xúc với oxy trong không khí có thể chuyển hóa thành nitrit và nitrat, các hợp chất này gây thiếu máu, ngộ độc và tăng nguy cơ ung thư, đặc biệt nguy hiểm với trẻ sơ sinh.

2. Công nghệ MBBR hoạt động như thế nào trong xử lý amoni?
   MBBR sử dụng vật liệu mang vi sinh dạng hạt chuyển động trong bể phản ứng, tạo điều kiện cho vi sinh vật nitrat hóa phát triển trên bề mặt, tăng hiệu quả oxy hóa amoni thành nitrat.

3. Hiệu quả xử lý amoni của công nghệ truyền thống và MBBR khác nhau ra sao?
   Công nghệ truyền thống chỉ loại bỏ được 30-50% amoni, trong khi MBBR đạt hiệu suất 85-95%, giúp giảm nồng độ amoni xuống dưới mức cho phép theo tiêu chuẩn.

4. Yếu tố môi trường nào ảnh hưởng lớn đến quá trình nitrat hóa?
   pH, nhiệt độ và nồng độ oxy hòa tan là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động và tốc độ phát triển của vi sinh vật nitrat hóa.

5. Có thể áp dụng công nghệ MBBR cho các nhà máy nước khác không?
   Có, công nghệ MBBR linh hoạt, có thể áp dụng cho nhiều quy mô nhà máy nước, đặc biệt hiệu quả với nguồn nước ngầm có nồng độ amoni cao như tại Hà Đông.

Kết luận

• Nồng độ amoni trong nước ngầm Hà Đông vượt mức cho phép, gây nguy hiểm cho sức khỏe cộng đồng.
• Công nghệ xử lý truyền thống chưa đáp ứng được yêu cầu loại bỏ amoni hiệu quả.
• Công nghệ màng vi sinh chuyển động (MBBR) tại nhà máy Ba La đạt hiệu suất xử lý amoni 85-95%, giảm nồng độ amoni xuống dưới 1,5 mg/L.
• Các yếu tố môi trường như pH, DO và nhiệt độ được duy trì ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật nitrat hóa phát triển.
• Đề xuất triển khai công nghệ MBBR quy mô lớn, tăng cường giám sát và đào tạo nhân sự để nâng cao chất lượng nước sạch tại Hà Đông.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng quy mô thử nghiệm và hoàn thiện quy trình vận hành để áp dụng đại trà, đồng thời nghiên cứu các công nghệ bổ sung nhằm xử lý amoni hiệu quả hơn. Mời các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển giải pháp xử lý amoni tại các khu vực khác.