Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm đồng thời sắt, mangan, amoni và asen

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm sắt, mangan, amoni và asen, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

• Tác giả: Phạm Thượng Hải
• Người hướng dẫn: PGS. TS Cao Thế Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lí nƣớc ngầm ô nhiễm đồng thời sắt, mangan, amoni và asen
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA NƯỚC NGẦM VÀ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM
• 1.1. Sắt, Mangan, asen và amoni trong nước ngầm
• 1.1.1. Sắt trong nước ngầm
• 1.1.2. Mangan trong nước ngầm
• 1.1.3. Asen trong nước ngầm
• 2. CHƯƠNG II: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ Pilot
• 2.2. Thuyết minh công nghệ
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Khảo sát các yếu tố DO, pH, độ kiềm ở các giai đoạn xử lí
• 2.5. Khảo sát sự biến thiên nồng độ Fe, Mn và As khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào
• 2.6. Đánh giá khả năng xử lí N-amôni
• 2.7. Hóa chất phục vụ công tác nghiên cứu
• 2.8. Quy trình thực nghiệm
• 2.9. Các vị trí lấy mẫu và các thông số đo đạc phân tích
• 2.10. Phân tích số liệu
• 2.11. Phương pháp đánh giá số liệu
• 2.12. Các phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Quá trình khảo sát các yếu tố DO, pH, độ kiềm ở các giai đoạn xử lí
• 3.2. Khảo sát biến thiên nồng độ DO khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào
• 3.3. Khảo sát biến thiên pH khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào
• 3.4. Khảo sát sự biến thiên nồng độ Fe
• 3.5. Khảo sát sự biến thiên nồng độ sắt ở lưu lượng Q = 0,5 m3/h
• 3.6. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí. Khảo sát ở chế độ bổ sung chất oxi hóa
• 3.7. Khảo sát sự biến thiên nồng độ sắt ở lưu lượng Q = 1 m3/h
• 3.8. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí. Chế độ bổ sung chất oxi hóa
• 3.9. Biến thiên nồng độ As
• 3.10. Khảo sát As ở lưu lượng đầu vào 0,5 m3/h
• 3.11. Khảo sát oxi hóa bằng oxi không khí
• 3.12. Khảo sát bổ sung chất oxi hóa
• 3.13. Khảo sát Asen ở lưu lượng đầu vào 1 m3/h
• 3.14. Chất ôxi hóa bằng oxi không khí
• 3.15. Bổ sung chất oxi hóa. Biến thiên nồng độ Mn
• 3.16. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí
• 3.17. Chế độ bổ sung chất ôxi hóa
• 3.18. Hiệu quả xử lí amoni. Giai đoạn khởi động hệ nitrat hóa và khử hóa với lưu lượng 0,5 m3/h
• 3.19. Diễn biến các thành phần N tại chế độ Q = 1 m3/h
• 3.20. Tổng hợp số liệu xử lý amoni bằng hệ lọc sinh học hai cấp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm sắt mangan amoni và asen

Nước ngầm là nguồn tài nguyên quý giá, nhưng hiện nay đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng. Ô nhiễm nước ngầm do sắt, mangan, amoni và asen không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến môi trường. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả là cần thiết để đảm bảo chất lượng nước ngầm.

1.1. Đặc điểm của nước ngầm và ô nhiễm nước ngầm

Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và khe nứt của đất đá, có chất lượng tốt hơn nước mặt. Tuy nhiên, ô nhiễm nước ngầm đang gia tăng do hoạt động của con người, dẫn đến sự hiện diện của các chất độc hại như sắt, mangan, amoni và asen.

1.2. Tác động của ô nhiễm nước ngầm đến sức khỏe

Ô nhiễm nước ngầm có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, từ các bệnh về tiêu hóa đến các bệnh mãn tính. Sắt và mangan có thể gây ra các triệu chứng như buồn nôn, trong khi asen có thể dẫn đến ung thư và các bệnh về da.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước ngầm ô nhiễm

Xử lý nước ngầm ô nhiễm sắt, mangan, amoni và asen gặp nhiều thách thức. Các phương pháp hiện tại chưa đáp ứng được yêu cầu về hiệu quả và chi phí. Cần có những giải pháp mới để cải thiện chất lượng nước.

2.1. Các phương pháp xử lý hiện tại và hạn chế

Các phương pháp xử lý nước ngầm hiện tại như lọc, lắng, và hóa học thường không hiệu quả trong việc loại bỏ hoàn toàn các chất ô nhiễm. Hơn nữa, chi phí cho các phương pháp này cũng khá cao.

2.2. Tác động của ô nhiễm đến môi trường

Ô nhiễm nước ngầm không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Các chất ô nhiễm có thể xâm nhập vào đất và nước mặt, gây ra sự suy giảm chất lượng môi trường.

III. Phương pháp xử lý sắt trong nước ngầm hiệu quả

Xử lý sắt trong nước ngầm là một trong những bước quan trọng trong quá trình cải thiện chất lượng nước. Các phương pháp như oxy hóa, lắng và lọc được áp dụng để loại bỏ sắt.

3.1. Nguyên tắc xử lý sắt trong nước ngầm

Nguyên tắc xử lý sắt dựa trên việc chuyển đổi sắt hòa tan (Fe(II)) thành dạng không hòa tan (Fe(III)) thông qua quá trình oxy hóa. Điều này giúp loại bỏ sắt khỏi nước ngầm một cách hiệu quả.

3.2. Các phương pháp xử lý sắt phổ biến

Các phương pháp xử lý sắt phổ biến bao gồm sử dụng oxy không khí, chất oxy hóa mạnh và các phương pháp hóa học khác. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện cụ thể.

IV. Giải pháp xử lý mangan trong nước ngầm

Mangan là một trong những chất ô nhiễm phổ biến trong nước ngầm. Việc xử lý mangan cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

4.1. Cơ sở lý thuyết xử lý mangan

Xử lý mangan dựa trên nguyên tắc oxy hóa mangan từ dạng Mn(IV) sang Mn(II) và sau đó loại bỏ bằng các phương pháp lắng và lọc. Điều này giúp giảm thiểu hàm lượng mangan trong nước ngầm.

4.2. Các phương pháp xử lý mangan hiệu quả

Các phương pháp xử lý mangan hiệu quả bao gồm sử dụng hóa chất, phương pháp kiềm hóa và các kỹ thuật sinh học. Mỗi phương pháp có thể được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của nguồn nước.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu về xử lý nước ngầm ô nhiễm đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các phương pháp mới đang được áp dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng nước.

5.1. Kết quả thực nghiệm từ nghiên cứu

Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp xử lý mới đã giúp giảm đáng kể nồng độ sắt, mangan, amoni và asen trong nước ngầm. Điều này chứng tỏ tính khả thi của các giải pháp đã được nghiên cứu.

5.2. Ứng dụng công nghệ mới trong xử lý nước

Công nghệ mới như hệ thống lọc sinh học và các thiết bị xử lý hiện đại đang được áp dụng rộng rãi. Những công nghệ này không chỉ hiệu quả mà còn tiết kiệm chi phí, giúp cải thiện chất lượng nước ngầm.

VI. Kết luận và tương lai của nghiên cứu xử lý nước ngầm

Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm sắt, mangan, amoni và asen là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn.

6.1. Tương lai của công nghệ xử lý nước ngầm

Công nghệ xử lý nước ngầm sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu chi phí.

6.2. Tầm quan trọng của việc bảo vệ nguồn nước ngầm

Bảo vệ nguồn nước ngầm là trách nhiệm của toàn xã hội. Cần có các biện pháp quản lý và bảo vệ hiệu quả để đảm bảo chất lượng nước cho thế hệ tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn nước ngầm tại khu vực đồng bằng sông Hồng, đặc biệt là phía Tây và Nam Hà Nội, đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm phức tạp khi có sự xuất hiện đồng thời của sắt, mangan, amoni và asen. Theo các khảo sát địa chất môi trường, hàm lượng asen trong nước ngầm khu vực này dao động từ 1 đến 3.000 µg/L với giá trị trung bình 159 µg/L, vượt xa ngưỡng khuyến cáo 10 µg/L của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT. Đồng thời, hàm lượng sắt thường vượt mức 0,5 mg/L, mangan vượt ngưỡng 0,2 mg/L và nồng độ amoni dao động phổ biến từ 6 đến 20 mg N/L, gây cản trở nghiêm trọng cho các công nghệ cấp nước truyền thống.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm hệ thống thiết bị hợp khối đa năng quy mô pilot, nhằm xử lý triệt để đồng thời bốn thành phần ô nhiễm trên. Đề tài được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn 2010–2013 tại Hà Nội, trực thuộc khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học mã số 01C-09/04-2010-2. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc tích hợp các quá trình hóa lý và sinh học trong một dây chuyền liên hoàn nhỏ gọn, tối ưu hóa hiệu suất loại bỏ tạp chất độc hại với tỷ lệ xử lý sắt đạt trên 98%, loại bỏ hơn 95% amoni và đưa nồng độ asen về dưới ngưỡng tiêu chuẩn 10 µg/L, mang lại giải pháp cấp nước an toàn và bền vững cho cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng đồng thời ba nền tảng lý thuyết chuyên sâu: lý thuyết nhiệt động học cân bằng oxy hóa - khử (thể hiện qua thế oxy hóa khử Eh và pH), lý thuyết động học phản ứng oxy hóa kết tủa - hấp phụ bề mặt, và nguyên lý chuyển hóa sinh hóa các hợp chất nitơ bởi vi sinh vật tự dưỡng kết hợp dị dưỡng. Quá trình xử lý sắt dựa trên phản ứng oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) thủy phân tạo bông cặn sắt oxyhydroxit (FeOOH) có hoạt tính hấp phụ cao. Động học phản ứng phụ thuộc bậc hai vào nồng độ ion hydroxyl [OH-], đạt tốc độ tối ưu khi pH lớn hơn 6,8. Đối với mangan, phản ứng chuyển hóa Mn(II) thành Mn(IV) kết tủa (MnO2) đòi hỏi thế oxy hóa cao hơn hoặc cần sự tham gia của vật liệu tiếp xúc phủ MnO2 hoạt hóa.

Đối với asen, cơ chế chính là quá trình oxy hóa As(III) thành As(V) để tăng cường khả năng đồng kết tủa và hấp phụ trên bề mặt bông cặn Fe(OH)3 và MnO2. Quá trình xử lý amoni áp dụng nguyên lý lọc sinh học hai giai đoạn: giai đoạn nitrat hóa hiếu khí nhờ vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter (tiêu thụ 4,57 g O2 và 7,14 g độ kiềm quy đổi theo CaCO3 cho mỗi 1 g N-NH4+), tiếp nối bởi giai đoạn khử nitrat thiếu khí (anoxic) biến đổi NO3- thành khí N2 tự do nhờ vi khuẩn dị dưỡng với cơ chất bổ sung là ethanol (C2H5OH).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình thực nghiệm pilot hợp khối liên hoàn với công suất linh hoạt 0,5 m3/h và 1,0 m3/h. Cấu tạo hệ thống bao gồm: thiết bị làm thoáng injector và sàn tung khí; bể phản ứng dung tích tạo bông; bể lắng lamen trang bị tấm lắng nghiêng; bể lọc nhanh sử dụng lớp cát thạch anh dày 670 mm (kích thước hạt 0,8–2,0 mm) kết hợp tầng cát phủ MnO2 dày 500 mm; bể nitrat hóa giả tầng sôi (moving bed) thể tích 0,6 m3 chứa vật liệu đệm bọt xốp polyurethane kích thước 10x10x10 mm; bể khử nitrat dòng chảy ngập thể tích vật liệu 0,504 m3 nhồi hạt gốm ceramic chiều cao 1.400 mm; và module lọc hấp phụ asen tinh chế.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm chuỗi dữ liệu đo đạc lặp lại tại 9 vị trí lấy mẫu dọc theo dây chuyền công nghệ. Phương pháp lấy mẫu đại diện theo dòng chảy liên tục được lựa chọn nhằm kiểm soát chính xác sự suy giảm nồng độ ô nhiễm qua từng công đoạn. Các thông số pH, DO, độ kiềm, Fe(II), Fe tổng số, Mn, As, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3- được phân tích bằng các thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), so màu UV-Vis và chuẩn độ điện thế theo Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) và Standard Methods nhằm đảm bảo độ tin cậy và sai số dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm vận hành mô hình pilot ở hai mức lưu lượng 0,5 m3/h và 1,0 m3/h đã chứng minh tính ưu việt vượt trội của dây chuyền công nghệ hợp khối:

1. Hiệu suất khử sắt và asen sơ cấp: Khi oxy hóa bằng không khí tự nhiên qua injector, nồng độ sắt tổng số giảm từ mức 10–15 mg/L xuống dưới 0,3 mg/L sau bể lọc nhanh (đạt hiệu suất xử lý trên 97%). Quá trình tạo bông cặn Fe(OH)3 đã đồng kết tủa và loại bỏ đồng thời khoảng 70% lượng asen ban đầu mà không cần châm thêm hóa chất keo tụ chuyên biệt.
2. Khả năng oxy hóa mangan: Ở chế độ làm thoáng tự nhiên kết hợp tầng lọc cát phủ MnO2, mangan giảm từ 1,5 mg/L xuống dưới 0,2 mg/L. Khi thử nghiệm châm bổ sung dung dịch Javen (với liều lượng 4–8 mg Clo hoạt tính/L) hoặc thuốc tím KMnO4 (5–23,8 mg/L), tốc độ oxy hóa Mn(II) tăng nhanh gấp 3 lần, giúp nồng độ Mn đầu ra luôn duy trì ổn định dưới 0,05 mg/L.
3. Hiệu quả xử lý amoni qua hệ sinh học hai cấp: Tại bể nitrat hóa giá thể lơ lửng, hiệu suất chuyển hóa N-NH4+ đạt trên 92% ở nồng độ đầu vào 12–20 mg N/L. Khi qua tiếp bể khử nitrat có bổ sung nguồn cacbon C2H5OH theo tỷ lượng thích hợp, toàn bộ nitrat sinh ra được khử sạch về dạng khí N2, giữ nồng độ N-NO3- đầu ra dưới 3 mg N/L và N-NO2- dưới 0,05 mg N/L.
4. Hấp phụ asen triệt để: Khoảng 30% lượng asen còn lại sau cụm lắng lọc được loại bỏ hoàn toàn qua cột hấp phụ chuyên dụng, đưa nồng độ asen từ 30–50 µg/L về mức dưới 5 µg/L, đạt chuẩn an toàn tuyệt đối.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc tích hợp thiết bị làm thoáng injector đã làm tăng hàm lượng oxy hòa tan (DO) từ dưới 1,0 mg/L lên 5,5–6,8 mg/L, đồng thời giải phóng khí CO2 tự do giúp nâng pH nước thô từ 6,6 lên 7,2–7,4. Đây là điều kiện tối ưu để phản ứng oxy hóa Fe(II) diễn ra hoàn tất trong thời gian dưới 30 phút.

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn trên các biểu đồ động học cho thấy mối tương quan tuyến tính chặt chẽ giữa tải lượng nạp N-amoni đầu vào và năng suất chuyển hóa của màng vi sinh trên đệm polyurethane. So sánh với các công trình xử lý nước ngầm truyền thống tại Hà Nội vốn chỉ dừng lại ở dàn mưa và bể lọc cát đơn thuần (thường bất lực trước amoni và asen), giải pháp hợp khối này đã giải quyết triệt để sự cản trở của amoni đối với quá trình khử trùng bằng clo (ngăn chặn hình thành monocloramin kém hoạt tính gấp 100 lần so với clo tự do). Việc phân tách rõ ràng hai vùng hiếu khí và thiếu khí giúp hệ thống kiểm soát hoàn toàn nguy cơ phát sinh nitrit – tác nhân gây bệnh mất sắc tố máu ở trẻ nhỏ và tiền chất gây ung thư.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Chuẩn hóa quy trình vận hành cụm oxy hóa và lọc tiếp xúc: Điều chỉnh liều lượng hóa chất oxy hóa Javen trong khoảng 4–6 mg/L hoặc duy trì tầng lọc cát phủ MnO2 dày tối thiểu 500 mm, đảm bảo pH nước thô sau làm thoáng đạt từ 7,0 trở lên để giữ nồng độ sắt dưới 0,3 mg/L và mangan dưới 0,1 mg/L trong vòng 3 tháng đầu chuyển giao.
2. Kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ dinh dưỡng tại bể khử sinh học: Cài đặt hệ thống châm cồn ethanol tự động theo tỷ lệ khối lượng COD:N tương ứng khoảng 3,5:1 nhằm đảm bảo hiệu suất khử nitrat đạt trên 95%, duy trì nồng độ nitrit dưới 0,05 mg/L và nitrat dưới 10 mg/L theo chu kỳ giám sát hàng ngày.
3. Ứng dụng module hấp phụ asen thứ cấp: Lắp đặt cột lọc hấp phụ hạt oxit kim loại chuyên dụng ở công đoạn cuối cùng, đặt mục tiêu duy trì nồng độ asen nước thành phẩm luôn dưới 5 µg/L, định kỳ hoàn nguyên hoặc thay thế vật liệu sau 12–18 tháng hoạt động liên tục.
4. Nhân rộng mô hình trạm cấp nước hợp khối tại các địa phương: Đề xuất các Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh Môi trường Nông thôn cùng các đơn vị cấp nước đô thị triển khai chuyển giao công nghệ cho các trạm có công suất từ 100 đến 10.000 m3/ngày trong lộ trình 1–2 năm tới, giúp giảm 30% diện tích xây dựng so với trạm xử lý truyền thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư công nghệ môi trường và cấp thoát nước: Cung cấp thông số tính toán thủy lực, kích thước bể phản ứng, bể lắng lamen và tải trọng bề mặt của các lớp vật liệu lọc phục vụ thiết kế module xử lý thực tế.
2. Cán bộ quản lý và vận hành trạm cấp nước sạch: Nắm vững cẩm nang kỹ thuật về kiểm soát quá trình làm thoáng, định lượng hóa chất oxy hóa khử và kỹ thuật nuôi cấy - duy trì màng vi sinh tự dưỡng trong các trạm xử lý nước ngầm nhiễm amoni cao.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên ngành Hóa môi trường: Tài liệu tham khảo học thuật giá trị về động học phản ứng oxy hóa kim loại nặng, cơ chế hấp phụ đồng kết tủa và tính toán tỷ lượng sinh hóa khử nitơ trong môi trường nước cấp.
4. Cơ quan quản lý tài nguyên và hoạch định chính sách y tế công cộng: Cung cấp cơ sở khoa học và số liệu thực chứng để xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật địa phương, phục vụ chương trình can thiệp cải thiện nguồn nước sinh hoạt nhiễm asen và kim loại nặng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống xử lý asen bằng cơ chế nào là chủ đạo? Cơ chế chủ đạo bao gồm hai giai đoạn: khoảng 70% asen được loại bỏ nhờ đồng kết tủa và hấp phụ trên bề mặt bông cặn Fe(OH)3 và MnO2 tại bể lắng và lọc cát nhanh; 30% asen còn lại được loại bỏ triệt để qua cột lọc hấp phụ chuyên dụng, giúp tổng nồng độ asen đầu ra đạt dưới 5 µg/L.

Tại sao cần kết hợp cả bể nitrat hóa và bể khử nitrat trong xử lý nước ngầm? Bể nitrat hóa chuyển hóa amoni độc hại thành nitrat (NO3-). Nếu dừng lại ở đây, nitrat dư thừa vẫn gây hại cho sức khỏe. Bể khử nitrat thiếu khí tiếp tục chuyển hóa hoàn toàn NO3- thành khí nitơ (N2) vô hại, giúp nồng độ nitrat đầu ra luôn thấp hơn ngưỡng quy chuẩn 50 mg/L.

Vật liệu mang trong bể nitrat hóa có ưu điểm gì so với bùn hoạt tính lơ lửng? Vật liệu polyurethane kích thước 10x10x10 mm tạo giá thể vững chắc cho vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter bám dính. Do vi khuẩn nitrat hóa sinh trưởng rất chậm, màng vi sinh cố định giúp giữ lại sinh khối mật độ cao, không bị rửa trôi ngay cả khi vận hành ở nồng độ chất hữu cơ cực thấp của nước ngầm.

Khi nào cần sử dụng hóa chất oxy hóa mạnh như Javen hay KMnO4? Khi nước ngầm có hàm lượng mangan vượt quá 1,0 mg/L hoặc chứa nhiều hợp chất hữu cơ tạo phức bảo vệ ion kim loại mà việc làm thoáng tự nhiên bằng không khí không nâng được pH lên trên 8,0, việc châm Javen (4–8 mg/L) hoặc KMnO4 (5–20 mg/L) là bắt buộc để đẩy nhanh tốc độ kết tủa MnO2.

Chi phí và diện tích của hệ thống hợp khối pilot này có tối ưu hơn công nghệ truyền thống không? Hệ thống hợp khối tích hợp dàn phun, lắng lamen và lọc sinh học trong cùng một khối thiết bị gọn nhẹ, giúp tiết kiệm khoảng 30–40% diện tích mặt bằng xây dựng và giảm chi phí đầu tư đường ống kết nối trung gian so với các công trình xử lý bê tông cốt thép phân tán truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và thử nghiệm thành công hệ pilot hợp khối xử lý đồng thời sắt, mangan, amoni và asen trong nước ngầm với công suất vận hành ổn định 0,5–1,0 m3/h.
• Đạt hiệu suất loại bỏ sắt trên 98%, mangan trên 95%, hạ nồng độ amoni từ 20 mg N/L xuống dưới 1 mg N/L và asen xuống dưới 5 µg/L, đáp ứng hoàn toàn quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT.
• Làm sáng tỏ cơ chế đồng kết tủa asen trên nền hydroxit sắt tự có và tối ưu hóa chu trình nitrat hóa - khử nitrat trên vật liệu mang sinh học chuyên dụng.
• Đóng góp giải pháp công nghệ mang tính ứng dụng cao, dễ dàng mở rộng quy mô từ quy mô hộ gia đình đến các nhà máy cấp nước tập trung công suất lớn.
• Kế hoạch tiếp theo cần tập trung tự động hóa toàn diện hệ thống điều khiển châm hóa chất, giám sát online chỉ số oxy hòa tan và chuyển giao công nghệ cho các điểm nóng ô nhiễm nguồn nước ngầm tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM THƢỢNG HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÍ NƢỚC NGẦM Ô NHIỄM ĐỒNG THỜI SẮT, MANGAN, AMONI VÀ ASEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2013 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- PHẠM THƯỢNG HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÍ NƢỚC NGẦM Ô NHIỄM ĐỒNG THỜI SẮT, MANGAN, AMONI VÀ ASEN Chuyên ngành: HÓA MÔI TRƯỜNG Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS CAO THẾ HÀ HÀ NỘI - 2013 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được sự giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, các anh chị em, bạn bè, gia đình. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo, các Anh chị em làm việc tại trung tâm CETASD, các thầy cô và các cán bộ của khoa Sau Đại học trường Đại học Quốc gia Hà Nội, các bạn trong lớp cao học K20 – Hóa học đã giúp đỡ tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Đặc biệt tôi xin trân trọng cám ơn thầy giáo PGS.

TS Cao Thế Hà đã hướng dẫn tận tình, tỉ mỉ và có nhiều góp ý quý báu cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài. Do thời gian nghiên cứu và trình độ chuyên môn còn nhiều hạn chế nên đề tài này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong muốn nhận được các ý kiến đóng góp để đề tài nghiên cứu này được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng 10 năm 2013 Học viên Phạm Thượng Hải 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC Lời nói đầu.

Đặc điểm chung của nƣớc ngầm và ô nhiễm nƣớc ngầm. Sắt, Mangan, asen và amoni trong nƣớc ngầm. Sắt trong nước ngầm. Mangan trong nước ngầm.

Asen trong nước ngầm. Xử lí Fe trong nƣớc ngầm. Nguyên tắc xử lí sắt. Cân bằng của sắt trong nước.

Các phương pháp xử lí sắt. Xử lí sắt bằng oxi không khí. Xử lí sắt bằng chất oxi hóa mạnh. Một số phƣơng pháp xử lí khác.

Động học oxi hóa Fe2+ bằng oxi không khí. Xử lí mangan trong nƣớc ngầm. Cơ sở lí thuyết quá trình xử lí mangan. Xử lí mangan bằng phƣơng pháp hóa học.

Xử lí mangan bằng phƣơng pháp kiềm hóa. Xử lí asen trong nƣớc ngầm. Oxi hoá As(III). Kĩ thuật đồng kết tủa/keo tụ.

Kĩ thuật hấp phụ. Phƣơng pháp trao đổi ion. Xử lí amoni trong nƣớc ngầm. Các phương pháp hoá-lý.

Các phương pháp vi sinh. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp xử lí sinh học. 28 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Chƣơng II. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu.

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ Pilot. Thuyết minh công nghệ. Nội dung nghiên cứu. Khảo sát các yếu tố DO, pH, độ kiềm ở các giai đoạn xử lí.

Khảo sát sự biến thiên nồng độ Fe, Mn và As khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào. Đánh giá khả năng xử lí N-amôni. Hóa chất phục vụ công tác nghiên cứu. Quy trình thực nghiệm.

Các vị trí lấy mẫu và các thông số đo đạc phân tích. Phân tích số liệu. Phƣơng pháp đánh giá số liệu. Các phƣơng pháp phân tích.

45 Chƣơng III. Kết quả và thảo luận. Quá trình khảo sát các yếu tố DO, pH, độ kiềm ở các giai đoạn xử lí. Khảo sát biến thiên nồng độ DO khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào.

Khảo sát biến thiên pH khi thay đổi lưu lượng nước đầu vào. Khảo sát sự biến thiên nồng độ Fe. Khảo sát sự biến thiên nồng độ sắt ở lưu lượng Q = 0,5 m3/h. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí.

Khảo sát ở chế độ bổ sung chất oxi hóa. Khảo sát sự biến thiên nồng độ sắt ở lưu lượng Q = 1m 3/h. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí. Chế độ bổ sung chất oxi hóa.

Biến thiên nồng độ As. Khảo sát As ở lưu lượng đầu vào 0,5 m3/h. 71 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp 3. Khảo sát oxi hóa bằng oxi không khí.

Khảo sát bổ sung chất oxi hóa. Khảo sát Asen ở lưu lượng đầu vào 1 m3/h. Chất ôxi hóa bằng oxi không khí:. Bổ sung chất oxi hóa.

Biến thiên nồng độ Mn. Chế độ oxi hóa bằng oxi không khí. Chế độ bổ sung chất ôxi hóa. Hiệu quả xử lí amoni.

Giai đoạn khởi động hệ nitrat hóa và khử hóa với lưu lượng 0,5m3/h. Diễn biến các thành phần N tại chế độ Q = 1m3/h. Tổng hợp số liệu xử lý amoni bằng hệ lọc sinh học hai cấp. 96 Tài liệu tham khảo.

102 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Danh Mục Bảng Bảng 2. Tính toán pha Mn .2 - Tính toán pha As. Tính toán pha amoni. Tính toán pha Clo – javen ở chế độ 0,5 m3/h .5 – Tính toán pha Clo – javen ở chế độ 1 m3/h .6 – Tính toán pha KMnO4 .1 – Số liệu DO tại Q = 0,5 m3/h .2 - Số liệu DO tại Q = 1m3/h .3 - Số liệu pH - các vị trí khảo sát ở Q = 0,5 m3/h .4 - Số liệu pH - các vị trí khảo sát ở Q = 1m3/h.

Số liệu độ kiềm .6- Bảng nồng độ sắt tổng ở các vị trí khi không bổ sung chất oxi hóa ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h .7- Bảng nồng độ sắt (II) ở các vị trí khi không bổ sung chất oxi hóa ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h .8- Bảng nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung chất oxi hóa javen (2mg Clo/lít) ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h.9 - Bảng nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung chất oxi hóa javen (4mg Clo/lít) ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h.10 - Bảng nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung chất oxi hóa javen (8mg Clo/lít) ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h. Bảng tổng hợp nồng độ sắt tổng trung bình .12 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, không bổ sung chất oxi hóa, ở Q = 1m3/h .13 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, khi bổ sung 6mg Clo/l, ở Q = 1m3/h .14 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, khi bổ sung 8mg Clo/l, ở Q = 1m3/h. 68 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Bảng 3.15 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, khi bổ sung 5mg KMnO4/l, ở Q = 1m3/h .16 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, khi bổ sung 23,8mg KMnO4/l, ở Q = 1m3/h .17 - Nồng độ As (µg/L) ở các vị trí khi không bổ sung chất oxi hóa ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h. Giá trị As (mg/L) dọc hệ thống (Q = 1 m3/h, [KMnO4] = 5 và 23,8 mg/L).

Giá trị Mn dọc hệ thống (Q = 1 m3/h, không khí). Giá trị Mn dọc hệ thống (Q = 1 m3/h, [Cl hđ] = 6 mg/L). Giá trị Mn (mg/L) dọc hệ thống (Q = 1 m3/h, [Cl hđ] = 8 mg/L). Giá trị Mn (mg/L) dọc hệ thống (Q = 1 m3/h, [KmnO4]= 5 và 23,8 mg/L).

Diễn biến hệ khử khi dừng và cấp lại hữu cơ. Diễn biến hệ khử nitrat sau khi sục khí và rửa lọc. Các thông số bồn nitrat hóa. Tổng hợp các thông số của hệ xử lý amoni trong nước ngầm qui mô pilot.

Tính tải và năng suất xử lí N-amôni và N-nitrat ở các tải lượng khác nhau. 91 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Danh mục hình Hình 1.1- Sự phụ thuộc các dạng sắt vào pH và thế oxi hoá khử của nước .2 - Ảnh hưởng của pH đến tốc độ ôxy hoá Fe(II) .1 - Sơ đồ khối hệ xử lý nước cấp quy mô pilot. Mặt cắt đứng hệ pilot .5 - Bể phản ứng .6 - Bể lắng và tấm lắng lamen .1- DO – vị trí ở Q = 0,5 m3/h.2 - DO – vị trí ở Q = 1 m3/h.3 - pH – vị trí ở Q = 0,5 m3/h .4- pH – vị trí ở Q = 1 m3/h .5 - Nồng độ sắt tổng – vị trí ở Q = 0,5m3/h, không bổ sung hóa chất .6 - Nồng độ sắt (II) – vị trí ở Q = 0,5m3/h, không bổ sung hóa chất .7- Sắt tổng – sắt (II) theo vị trí .8 - Nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung .9 - Nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung chất oxi hóa javen (4mg Clo/lít) ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h .10- Nồng độ trung bình của sắt tổng và sắt (II) ở các vị trí khi bổ sung chất oxi hóa javen (8mg Clo/lít) ở lưu lượng đầu vào 0,5m3/h .11- Tổng hợp nồng độ sắt tổng trung bình – vị trí ở Q = 0,5 m3/h .12 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, không bổ sung chất oxi hóa, ở Q = 1m3/h .13- Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 6mg Clo/l, ở Q = 1m3/h .14 - Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 8mg Clo/l, ở Q = 1m3/h. 69 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phạm Thƣợng Hải Luận văn tốt nghiệp Hình 3.15- Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 5mg KMnO4/l, ở Q = 1m3/h .16- Giá trị trung bình của lượng sắt tổng, sắt II ở các vị trí khảo sát, bổ sung chất oxi hóa 23,8mg KMnO4/l, ở Q = 1m3/h .