Tài liệu Tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước ngầm khu vực đồng bằng bắc bộ có hàm lượng asen 10mg-l

Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 PHẦN MỞ ĐẦU Hiện nay, một số nơi như các cơ quan, xí nghiệp, nhà trường,… vẫn sử dụng nước dùng trong sinh hoạt và sản xuất là khai thác các nguồn nước ngầm bằng cách khoan các giếng công nghiệp, nước giếng khoan có trữ lượng ổn định và chất lượng tốt nhất. Tuy nhiên trở ngại cho việc dùng nước ngầm hiện nay là trong thành phần nước ngầm thường bị nhiễm các hợp chất của kim loại nặng ở dạng hoà tan như: Fe(OH)2 ; Fe(HCO3)2 ; Mn(HCO3 )2 ... , các cặn lơ lửng. Đặc biệt do sự ô nhiễm môi trường ngày càng ra tăng nên nguồn nước ngầm còn có thể bị nhiễm các hợp chất Nitơ và một số hợp chất hữu cơ khác. Các kim loại nặng Mn, Cr,... các gốc NO2, NH4+ ... và đặc biệt nguy hiểm nếu chứa một lượng Asen > 0,01mg/l gây nên một số bệnh nguy hiểm, có thể dẫn đến tử vong . Các điều tra sơ bộ ở một số địa phương cho thấy, hàm lượng asen trong nước ngầm ở nhiều nơi vượt quá tiêu chuẩn cho phép đối với nước ăn uống và sinh hoạt, cao nhất là các tỉnh ở Đồng Bằng Bắc Bộ như Hà Nam, Hà Nội, Hưng Yên, Hà Tây, Phú Thọ... Hàm lượng asen ở một số điểm cao gấp nhiều lần mức cho phép như Quỳnh Lôi (Hà Nội) gấp 30 lần, Lâm Thao (Phú Thọ) gấp 50-60 lần, Lý Nhân (Bình Lục, Hà Nam) gấp 50 lần. Vì vậy việc tiến hành xử lý các hợp chất trên là cần thiết. Trang 1 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Chương 1 Nhóm 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.Tình hình ô nhiễm Asen trong nước ngầm Gần đây, hiện tượng nước ngầm bị nhiễm độc Asen đã được báo động, không chỉ ở các quốc gia như Hoa Kỳ, Băngladesh, Ấn Độ, Trung Quốc,... mà ở Việt Nam cũng đã bắt đầu xuất hiện ngày càng nhiều. 1.1.1.Trên thế giới :  Tại Hoa Kỳ Từ hơn hai thập niên qua, Cơ quan Lượng định Địa chất Hoa Kỳ (US Geological Survey) đã phân tích và thẩm định arsenic trong 18850 giếng khoan trên toàn quốc gia nầy. Nồng độ arsenic của các mạch nước ngầm ở miền Tây Hoa kỳ chiếm tỷ lệ cao nhất; kế đến là miền Trung Tây và Đông Bắc. Miền Đông Nam là nơi có nồng độ thấp nhất. Trên 13% giếng khoan có nồng độ arsenic trên 5ug/l, khoảng 1% có nồng độ trên 50ug/L.  Tại Banglades 1.1.2.Tại Việt Nam (Đồng bằng Bắc Bộ) Do cấu tạo địa chất, nhiều vùng ở nước ta nước ngầm bị nhiễm asen. Khoảng 13,5% dân số Việt Nam (10-15 triệu người) đang sử dụng nước ăn từ nước giếng khoan, rất dễ bị nhiễm asen. Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn từ 20-50 lần nồng độ cho phép (0.01mg/l), ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng. Tại châu thổ sông Hồng, những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía Nam Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và Hải Dương. Ở đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan có nồng độ asen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang. Trang 2 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Sự ô nhiễm asen ở miền Bắc phổ biến hơn và cao hơn miền Nam. 1/4 số hộ gia đình sử dụng trực tiếp nước ngầm không xử lý ở ngoại thành Hà Nội đã bị ô nhiễm asen, tập trung nhiều ở phía Nam thành phố, Thanh Trì và Gia Lâm (18,5%). Ở khu vực Hà Nội, Theo kết quả phân tích của Văn phòng đại diện UNICEF tại Hà Nội và Trung tâm nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường nông thôn trung ương 6 tháng đầu năm 1999 cho thấy, mẫu nước của 351 trong số tổng số 519 giếng khoan ở Quỳnh Lôi (Hai Bà Trưng - Hà Nội) được phân tích thì có 25% số mẫu có hàm lượng Asen vượt tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam và nếu theo tiêu chuẩn của Tổ chức y tế thế giới (WHO là 0,01 mg/l) thì có tới 68% vượt tiêu chuẩn cho phép. Tại tỉnh Thanh Hóa đã tiến hành phân tích Asen trong nước của 201 lỗ khoan nông tại các huyện Hoằng Hóa, Nông Cống, Thiệu Hóa. Đa số các lỗ khoan có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0,05 mg/l. Chỉ có 11 giếng khoan ở Thiệu Nguyên, huyện Thiệu Hóa có Asen lớn hơn 0,05 mg/l, cao nhất đạt 0,1mg/l (4 giếng khoan). Tại tỉnh Quảng Ninh đã phân tích Asen trong nước của 175 giếng khoan nông tại các huyện Đông Triều, thành phố Hạ Long, thị xã Uông Bí, huyện Hưng Yên. Tất cả 175 mẫu đều có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0,05 mg/l, chất lượng nước ở đây nhìn chung là tốt. Tại tỉnh Hà Tây chỉ có 01 kết quả phân tích Asen trong nước lỗ khoan nông có hàm lượng Asen lớn hơn 0,05 mg/l. Tại thành phố Hải Phòng, đã phân tích Asen trong nước của 49 lỗ khoan nông tại huyện An Hải, thị xã Đồ Sơn, quận Ngô Quyền, chỉ có 01 mẫu nước lỗ khoan có hàm lượng Asen vượt tiêu chuẩn cho phép Việt Nam 3 lần. Trang 3 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Tại tỉnh Thái Bình, qua phân tích trong nước ngầm của 195 lỗ khoan nông tại các huyện Đông Hưng, Hưng Hà, Kiến Xương, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Vũ Thư và thị xã Thái Bình, kết quả tất cả 195 mẫu đều có hàm lượng Asen nhỏ hơn 0,05 mg/l. Tại Hà Nam: 1819/1928 (94,3%) giếng khoan có asen > TCCP của Việt Nam và quốc tế (<=10 ppb); 60,2% từ 100 – 500 ppb. Nồng độ khác nhau về hàm lượng Asen trong các nguồn nước ở mỗi vùng nghiên cứu, ngoài những đặc điểm đặc trưng riêng về điều kiện địa chất, địa lý tự nhiên còn được quyết định bởi nhiều hoạt động kinh tế dân sinh. 1.2. Nguyên nhân gây nhiễm độc Asen cho nước ngầm Liên quan đến nhiễm độc Asen cho nước dưới đất, trên thế giới đã có nhiều cách giải thích nguyên nhân gây nhiễm độc như: • Do Asenopyrit chứa trong trầm tích Aluvi bị oxy hóa bởi Oxy từ khí quyển cho phép giải phóng Asen và tích tụ trong nước dưới đất. • Quá trình trao đổi ion Sunfat chứa trong phân bón dư thừa trong đất và ion Asen trong khoáng vật chứa Asen cho phép giải phóng và tích tụ Asen trong nước dưới đất. • Điều kiện môi trường khử cho phép khử ion Oxyhydroxit sắt (FeOOH) trong đất đá để giải phóng và tích tụ Asen trong nước; mối liên quan chặt chẽ giữa hàm lượng Asen, sắt và Mangan. Từ các cách giải thích nêu trên, người ta cho rằng ở Việt Nam, Asen trong nước dưới đất có hàm lượng cao do 3 nguyên nhân sau đây: Trang 4 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp • Nhóm 3 Nước dưới đất ở đồng bằng Bắc bộ có hàm lượng Asen cao có liên quan nguồn gốc với các khoáng vật chứa sắt và Mangan trong đất đá, tầng chứa than bùn hoặc tầng bùn sét phân bố khá rộng rãi ở cả hai đồng bằng trên. • Asen có hàm lượng cao trong nước dưới đất có thể có nguồn gốc liên quan với các vùng đá gốc chứa hàm lượng Asen dị thường (như ở đông nam bản Phúng huyện Sông Mã, tỉnh Sơn La). • Asen trong nước dưới đất cao có nguồn gốc từ nước thải công nghiệp (như ở khu vực Việt Trì). Tuy nhiên, cũng không loại trừ ô nhiễm là do tác động của con người như gần các nhà máy hoá chất, những khu vực dân tự động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước. Theo điều tra của UNICEF, asen có trong tất cả đất, đá, các trầm tích được hình thành từ nghìn năm trước tại Việt Nam, với nồng độ khác nhau. Thạch tín từ đá tan vào các mạch nước ngầm. Vì vậy, mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có nguy cơ nhiễm asen. 1.3.Tác hại của ô nhiễm Asen .Asen - “sát thủ” vô hình Asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước, cả khi ở hàm lượng có thể gây chết người, nên không thể phát hiện. Vì vậy, các nhà khoa học còn gọi asen là “sát thủ vô hình”. Theo Tổ chức Y tế thế giới WHO cứ 10.000 người thì có 6 người bị ung thư do sử dụng nước ăn có nồng độ asen > 0,01 mg/l nước.Tại Bangladesh, Ấn Độ, Việt Nam và Chile, thạch tín (asen) là mối đe dọa lớn đối với sức khoẻ người dân. Asen là một chất rất độc. Có thể chết ngay nếu uống một lượng bằng nửa hạt ngô (bắp). Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi asen sẽ có biểu hiện: khát nước dữ dội, Trang 5 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy, mạch đập yếu, mặt nhợt nhạt rồi thâm tím, bí tiểu và tử vong nhanh. Nếu bị nhiễm độc asen ở mức độ thấp, mỗi ngày một ít với liều lượng dù nhỏ nhưng trong thời gian dài sẽ gây: mệt mỏi, buồn nôn và nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, da sạm, rụng tóc, sút cân, giảm trí nhớ, mạch máu bị tổn thương, rối loạn nhịp tim, đau mắt, đau tai, viêm dạ dày và ruột, làm kiệt sức, ung thư... Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của asen tới sức khoẻ là khả năng gây đột biến gen, ung thư, thiếu máu, các bệnh tim mạch (cao huyết áp, rối loạn tuần hoàn máu, viêm tắc mạch ngoại vi, bệnh mạch vành, thiếu máu cục bộ cơ tim và não), các loại bệnh ngoài da (biến đổi sắc tố, sạm da, sừng hoá, ung thư da...), tiểu đường, bệnh gan và các vấn đề liên quan tới hệ tiêu hoá, các rối loạn ở hệ thần kinh - ngứa hoặc mất cảm giác ở chi và khó nghe. Sau 15 - 20 năm kể từ khi phát hiện, người nhiễm độc thạch tín sẽ chuyển sang ung thư và chết. Chương 2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2.1.Các nghiên cứu ở nước ngoài 2.1.1. Giải độc thạch tín Đại học Kalyani, Ấn Độ, đã tìm ra một phương pháp hiệu quả và rẻ tiền giải độc asen trong cơ thể của những người sử dụng nước ngầm ô nhiễm bằng thuốc giải độc có tên arsenicum album. Tuy nhiên, loại thuốc này vẫn đang trong thời gian thử nghiệm. Trang 6 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Trong trường hợp đã bị nhiễm độc asen, muốn giảm bớt các triệu chứng của bệnh do asen, người bệnh cần được đảm bảo chế độ ăn uống thật tốt, giảm protein, bổ sung các vitamin để giúp cơ thể thải loại asen nhanh hơn. Bên cạnh đó, bệnh nhân có thể dùng thuốc giúp gan thải asen ra khỏi cơ thể như thuốc DMPS và DMSA. Tuy nhiên phải có sự hướng dẫn của bác sĩ vì đây là những loại thuốc có thể gây ra nhiều phản ứng phụ. 2.1.2. Dò nước ô nhiễm asen bằng vi khuẩn phát sáng Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ môi trường Thụy Sĩ đã lợi dụng khả năng nhạy cảm với asen của vi khuẩn Escherichia coli để biến đổi gen sao cho chúng phát sáng khi dò thấy asen trong nước. Thành công trên có thể cứu sống nhiều người đang sử dụng nước ngầm bị ô nhiễm loại chất độc tự nhiên này. E.coli hiện cũng đang được thử nghiệm tại Việt Nam, chi phí thấp mà không bị giải phóng các hoá chất độc hại vào môi trường. 2.2.Các nghiên cứu ở trong nước 2.2.1.Cách nhận biết Asen Theo Tiến sĩ Trần Hồng Côn, Bộ môn Công nghệ hoá học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, không thể nhận biết được asen trong nước qua cảm quan. Kể cả nước trong và có cảm giác sạch vẫn có thể chứa chất độc này. Việc đun sôi và lọc vi trùng cũng không loại được asen, mangan và một số kim loại nặng khác. Với bộ kit thử asen của Viện Địa chất, chỉ mất 7 phút để phát hiện có độc chất asen trong nước hay không. Bộ kít có có giá 150.000 đồng, thử được 25 lần. Với bộ kit này, có thể xác định được hàm lượng Asen trong nước từ 0,005mg/l đến 1,5mg/l Trang 7 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Bộ kit bao gồm một lọ phản ứng, một lọ giấy chỉ thị Asen, một lọ bột khử cho 25 lần thử, một lọ dung dịch As-1 và panh gắp. Tất cả được chứa trong một chiếc túi nhựa có kích cỡ bằng bàn tay. Người sử dụng chỉ cần đặt giấy chỉ thị vào nắp lọ phản ứng, đổ mẫu nước, dung dịch và bột khử vào lọ phản ứng theo chỉ dẫn rồi đậy chặt nắp lại. Nếu giấy chỉ thị chuyển sang màu vàng là biết nước có nhiễm asen. 2.2.2.Chế tạo bình lọc asen trong nước sinh hoạt Sử dụng đất sét, đá ong, đá son (limônit) đã được biến tính, các chuyên gia khoa Hoá, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, đã chế tạo thành công thiết bị xử lý asen trong nước sinh hoạt, rất an toàn, tiện lợi cho các hộ gia đình. Về cơ bản, bình lọc có cấu tạo như các bình lọc thông thường nhưng bộ cột lọc có tính năng ôxy hoá và hấp phụ để giữ lại asen. Bình lọc có thể bằng inox hoặc nhựa với hai ngăn. Ngăn thứ nhất chứa một cột hấp phụ làm từ các hạt đất sét, đá ong và đá son đã được biến tính nhiệt và biến tính nhiệt hoá. Khi nước chảy qua cột này, asen và mangan trong nước sẽ bị giữ lại, còn nước sạch chảy vào ngăn thứ hai để sử dụng. Theo tính toán, thiết bị xử lý asen quy mô hộ gia đình bằng inox có dung tích 20 lít có giá thành khoảng 450.000 đồng. Thiết bị tương tự nhưng bằng nhựa có giá thành khoảng 300.000 đồng. Khi sản xuất hàng loạt, giá có thể rẻ hơn. Hộ gia đình 5 người sử dụng nước ăn uống thì trung bình một năm phải thay cột hấp phụ một lần với chi phí khoảng 20.000 đồng. Asen thu hồi triệt để có thể sử dụng vào mục đích khác hoặc đem chôn lấp an toàn. Trang 8 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Bình lọc asen Chương 3 : Chất hấp phụ - đá ong CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Arsenic hiện diện trong nước ngầm ở trạng thái yếm khí dưới dạng As(III) (arsenite) trung tính. Khi tiếp xúc với không khí (nước mặt) một phần lớn As(III) sẽ hoán chuyển thành As(V) (arsenate) và cho ra ion âm. Do đó mọi phương pháp xử lý đều tập trung vào việc khử arsenate. 3.1.Phương pháp kết tủa Arsenat, AsO43- có khả năng tạo thành một số hợp chất kết tủa có độ tan thấp như sắt arsenat FeAsO4, canxi Arsenat Ca3(AsO4)2, hay mangan arsenat Mn3(AsO4)2. Ion sắt, canxi, mangan, thường gặp trong nước ngầm và cũng cần được xử lý: loại bỏ sắt, mangan hay khử cứng cho nước bằng phương pháp vôi, sôđa. Trong các quá trình xử lý đó có thể loại bỏ được một phần arsen hoặc có thể bổ xung trực tiếp các yếu tố gây kết tủa từ ngoài vào. Khi đưa Fe III, chủ yếu là FeCl3 vào nước, sắt Arsenat hình thành rất nhanh (khoảng 10 giây) thành không tan. Tích số tan của sắt arsenat là 10 -20 mol2/l2, vì vậy nồng độ của arsen dư trong nước sau kết tủa theo tính toán lý thuyết là 0.0195µg/l. Điều kiện pH tối ưu cho kết tủa arsen là 7, trong môi trường kiềm, song song với sự tạo thành sắt arsenat còn các phản ứng cạnh tranh tạo ra sắt hydroxit và oxit, còn trong môi trường axit thì arsen nằm ở dạng hợp chất trung hoà không tham gia phản ứng kết tủa. Phản ứng tạo ra mangan arsenat cũng có thể tiến trình tương tự. Kết tủa arsen dưới dạng sản phẩm không tan chỉ có thể thực hiện được với As(V), tức là trước đó cần oxy hoá triệt để As(III) thành As(V). Sau khi kết tủa arsen, nước được lọc, hợp chất arsen dạng keo được giữ lại trong tầng lọc theo cơ chế hấp phụ trên vật liệu lọc và với chính nó đã bị hấp phụ trước đó. Sơ Trang 9 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 B Precipitation Nhiều nguồn nước chứa đồng thời cả sắt hay mangan hoặc độ cứng cao, khi xử lý các yếu tố đó là đã loại bỏ được một phần arsen. KHỬ TRÙNG NGUỒN GIÀN MƯA KẾT TỦA LẮNG CẶN  Ưu điểm o Có thể xử lý triệt để và nhanh chóng Asen  Khuyết điểm o Tiêu tốn nhiều hóa chất o Có thể làm tắc nghẽn các công trình phía sau o Ảnh hưởng đến chất lượng nước sau xử lý 3.2.Phương pháp trao đổi ion Trang 10 LỌC NƯỚC RỬA HỒ ỔN ĐỊNH CẤP NƯỚC Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Nếu nguồn nước chứa As có độ khoáng thấp (<500mg/l) và ít sunfat (<25mg/l) thì có thể sử dụng phương pháp trao đổi ion để xử lý As. Oxy hoá As(III) thành As(V) trước khi trao đổi nhưng không cần phải điều chỉnh pH. Nước sau khi được làm trong và clo hoá (oxy hoá)được chảy qua cột chứa anionit mạnh dạng Cl- có độ dày 0.75 – 1.5m, trao đổi ion tại pH = 8 – 9. tái sinh được thực hiện khá dễ dàng với mối NaCl. Sử dụng anionit mạnh thương phẩm ( ví dụ Dowex 11) với thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng 5- 6 phút đạt mức độ làm sạch rất cao. Tuy nồng độ sunfat nhưng vẫn tìm ẩn nguy cơ nó đẩy As ra khỏi nhựa, có thời điểm nước sau xử lý cao hơn nước đầu vào tới 160%. Nhìn chung các anionit khác nhau ít ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý As, thời gian tiếp xúc từ khoảng 1,5 – 5 phút cũng ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu quả của cột. Tái sinh nhựa có thể sử dụng dòng cùng chiều. Lưỡng dung dịch NaCl 3.5% cần để tái sinh không vượt quá 3 lần thể tích tầng nhựa, As được tách ra khỏi nhựa còn dễ hơn cả bicarbonat do hiệu ứng đảo tính chọn lọc của HAsO 42-. Dung dịch tái sinh có thể được xử lý bằng cách là bổ xung muối sắt (III) hay muối nhôm (phèn nhôm) hoặc vôi. Phản ứng hoá học xảy ra: 3Na2HAsO4 + 3H2O + 2FeCl3 ↔ Fe(OH)3 + Fe(H2AsO4)↓ + 6NaCl 2Na2HAsO4 + NaHCO3 + 4Ca(OH)2 ↔ CaCO3↓ + Ca3(AsO4) + 3H2O + 5NaOH. Lượng nhôm hay sắt sử dụng trong thực tế cao hơn so với phản ứng trên, có thể cao hơn tới hơn 20 lần. Trang 11 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Sơ đồ công nghệ xử lý Asen sử dụng phương pháp trao đổi iôn KHỬ TRÙNG NGUỒN GIÀN MƯA BỂ LẮNG CẶN TRAO ĐỔI ION HỒ ỔN ĐỊNH NƯỚC RỬA  Ưu điểm o Có lợi thế là không cần điều chỉnh pH của nước trong quá trình xử lý o Có thể sử dụng muối ăn để tái sinh chất trao đổi ion với hiệu quả cao(85100 %)  Khuyết điểm o Không có lợi về mặt kinh tế nếu nồng độ sunfate >250mg/l và tổng lượng cặn tan vượt 500mg/l o Tiềm ẩn nguy cơ đẩy Asen ra khỏi nhựa trao đổi 3.3.Phương pháp hấp phụ (γ- Al2O3) Với các nguồn nước có độ khoáng cao, phương pháp hấp phụ tỏ ra có hiệu quả do tính tương tác đặc thù của hệ. Vật liệu hấp phụ được sử dụng là một số oxít kim loại như nhôm, sắt, mangan, hay hỗn hợp các oxit kể trên. Arsen (dạng arsenat) hấp phụ trên các vật liệu oxit trên theo nhiều tác giả là theo cơ chế tạo ra phức chất bề mặt trên chất rắn. Theo đó, trước khi tạo ra liên kết hoá học chúng được hấp phụ và nó thường là giai đoạn chậm nhất của quá trình. Nhôm oxit dạng γ (γ- Al 2O3) là chất hấp phụ arsen được sử dụng rộng rãi nhất, vật liệu này thường là dạng hạt có kích thước không lớn (0.3-0.6mm). Nhôm Trang 12 CẤP NƯỚC Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 oxit có tính năng chọn lọc đối với các anion theo: OH- > H2AsO4- > Si(OH)O3- > F> HseO3- > SO42- > CrO42- >> HCO3- > Cl- > NO3- > Br- > I-. Nhôm oxit được dùng làm vật liệu hấp phụ arsen là do độ chọn lọc cao của nó đối với hợp chất arsen. Vì là quá trình tạo phức trên bề mặt chất rắn nên diện tích bề mặt của chất hấp phụ chỉ được sử dụng một phần, tại các trung tâm hoạt động có khả năng tạo liên kếtt phức chất, vì vậy nhôm oxit có diện tích bề mặt cao sẽ thuận lợi cho quá trình hấp phụ. Tuy vậy dung lượng hấp phụ của nhôm oxit đối với arsen cũng không cao do nồng độ của arsen trong nước thường rất nhỏ. Với nhôm oxit có diện tích khoản 400m2/g dung lượng hấp phụ arsen cũng chỉ đạt 1,4mg As/ml nhôm oxit (xấp xỉ 1,6mg/g) tại pH = 6. pH thích hợp cho quá trình hấp phụ As trên nhôm oxit nằm trong khoảng 5.5-6.0, tại pH cao hơn, ví dụ pH=8 dung lượng hấp phụ chỉ còn non một nửa so với nó tại pH = 6. dung lượng hấp phụ của nhôm oxit đối với As giảm rất mạnh khi có mặt sunfat nhưng hầu như không tác động của ion clorua. Tạp chất hữu cơ, chất keo có mặt trong nước cũng ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp phụ của arsen trên nhôm oxit. Arsen tạo phức chất trên bề mặt nhôm oxit khá bền nên khi tái sinh phải dùng dung dịch xút 4% sau đó trung hoà lại với axit sunfuric 2%. Tuy vậy dù có tăng nồng độ axit thì cũng chỉ tách được 50 – 70% lượng arsen trong chất hấp phụ, do vậy dung lượng hoạt động của chu kì sau giảm 10 – 15% và nhôm oxit sẽ mất tác dụng sau vài chu kì hoạt động. Do khó khăn trong việc tái sinh và xử lý dung dịch tái sinh chứa nồng độ arsen cao nên một số nhà công nghệ có ý định chỉ sử dụng cột một lần sau đó loại bỏ chất hấp phụ đã bảo hoà arsen. Ngoài ra, Sắt oxit, Mangan dioxit gần đây cũng được sử dụng làm chất hấp phụ arsen. Đặc biệt là Mangan dioxit có khả năng oxy hoá trực tiếp As(III) thành As(V) ngay trong cột hấp phụ mà không cần tới oxy hoà tan. Do có nhiều chất có thể sử dụng làm chất hấp phụ arsen mà những chất này có thể tồn tại sẵn ở trong nước (Fe, Mn) hoặc là hoá chất dùng để xử lý nước (phèn nhôm) nên người ta có thể tận dụng các yếu tố trên để xử lý arsen đồng thời Trang 13 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 loại bỏ các thành phần đó. Để đạt hiệu quả tốt cần chú ý tới các điều kiện oxy hoá As(III) thích hợp vì tính hấp phụ của As(III) thấp hơn nhiều so với As(V). Dung dịch tái sinh nhôm oxit bão hoà arsen có thể xử lý như sau: dung dịch tái sinh kiềm và axit chứa một lượng nhôm tan đủ để kết tủa thành dạng hydroxit nếu sử dụng axit đưa pH của nó về 6.5, arsen sẽ cùng kết tủa mang tính định lượng. Nước được tách khỏi chất rắn chứa nồng độ arsen rất thấp. Sơ đồ công nghệ xử lý Asen sử dụng phương pháp hấp phụ KHỬ TRÙNG NGUỒN GIÀN MƯA BỂ LẮNG CẶN BỂ LỌC HẤP PHỤ HỒ ỔN ĐỊNH NƯỚC RỬA LỌC CẤP NƯỚC  Ưu điểm o Ít bị ảnh hưởng nếu hàm lượng sunfate và cặn tan (nồng độ ion tổng) o γ -Al2O3 có tính hấp phụ chọn lọc đối với các hợp chất của Asen  Khuyết điểm Trang 14 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 o Khó khăn trong việc tái sinh γ -Al2O3 Chương 4: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC NGẦM KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ CÓ HÀM LƯỢNG ASEN 10mg/l VỚI CÔNG SUẤT 1000m3 /ngàyđêm 4.2.Tính toán và thiết kế hệ thống Dựa trên những ưu điểm của phương pháp hấp phụ nên lựa chọn Sơ đồ công nghệ xử lý Asen bằng phương pháp hấp phụ để tính toán và thiết kế . Chú thích KHỬ TRÙNG NGUỒN Nước GIÀN MƯA BỂ LẮNG CẶN BỂ LỌC NƯỚC RỬA LỌC Bơm Trang 15 HẤP PHỤ HỒ ỔN ĐỊNH CẤP NƯỚC Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Bùn Thuyết minh sơ đồ công nghệ Nước được bơm từ giếng lên giàn mưa. Tại giàn mưa nước sẽ được làm thoáng qua hệ thống sàn tung, Asen được chuyển từ asenic sang Asenate đồng thời qua đó một phần Fe2+, Mn2+ chuyển thành Fe3+ và Mn4+ , quá trình oxi hóa này sẽ được tăng cường qua bể lắng đồng thời một phần hợp chất keo của sắt, mangan và asen sẽ được lắng ở bể lắng, một phần sẽ được dẫn qua bể lọc và được giữ lại ở bể lọc. Sau đó nước sẽ được tiếp tục bơm qua cột hấp phụ từ phía dưới nhằm để tăng thời gian hấp phụ, tại đây các kim loại nặng sẽ được hấp phụ và được khử trùng bằng clorator và được đưa vào hồ ổn định và phục vụ cho cấp nước . Cặn được sinh ra từ bể lắng và sau rửa lọc được tập trung tại bể chứa cặn và nước sau rửa lọc sẽ được đưa trở về giàn mưa để xử lý lại. 4.2.1.Giàn Mưa Nhiệm vụ : • Khử CO2 trong nước • Làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hoá thành Fe3+ Dạng giàn mưa: làm thoáng tự nhiên Chọn cường độ tưới là 10 m3/m2.h , diện tích bề mặt cần cho giàn mưa là: S = Q/ qm = 1000/ 24 . 10 = 4,17 m2 Trong đó: • Q = 1000 m3 / ngày: công suất trạm xử lý • qm : cường độ tưới (m3/m2.h) Chọn diện tích mặt bằng cho gìan mưa là : dài . rộng = 2 . 2 m. Chia giàn mưa thành 2 ngăn, mỗi ngăn có kích thước : 2. 1 m Vậy diện tích toàn bộ giàn mưa là ( 2. 1 ) . 2 = 4 m2 Số sàn tung: 3, (vì hiệu quả hoạt động của 3 sàn tung đầu tiên thường là cao, còn các sàn kế tiếp thường rất kém). Chọn khoảng cách giữa các sàn tung là 0,7m Trang 16 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 Vậy chiều cao phần làm thoáng là 0,7 . 3 = 2,1 m Đường kính lỗ cũng như số lỗ trên 1 sàn tung : chọn đường kính lỗ là 14mm và bước lỗ là 50mm. Chọn sàn tung là các tấm inox có kích thước 1 . 1 m. cần sử dụng 4 tấm inox cho 1 sàn tung. Hệ thống thu, thoát khí và ngăn nước : góc nghiêng giữa các chớp với mặt phẳng nằm ngang là 45o, khoảng cách giữa 2 cửa chớp kế tiếp là 200mm, cửa chớp được bố trí ở xung quanh trên toàn bộ chiều cao của giàn mưa, nơi có bề mặt tiếp xúc với không khí. Các cửa chớp này được xây dựng cách các mép ngoài của sàn tung 0,6m. Sàn thu nước: được đặt dưới đáy giàn mưa, có độ dốc 0,02 về phía ống dẫn nước xuống bể lắng, kết cấu sàn thu là bê tông cốt thép. Hệ thống ống thu nước và xả cặn của giàn mưa: ống thu nước đặt ở đáy sàn thu nước cao hơn mặt đáy sàn ít nhất là 200mm, Chọn tốc nước trong ống dẫn là 1 m/s, diện tích ống dẫn nước là S =Q /v = 1000 / 86400.1= 0.01157(m2) 4.S 4.0, 01157 = = 120(mm) π π D= Chọn đường kính D=110mm, kiểm tra lại vận tốc v= Q 1000.4 = = 1, 23(m / s ) S 86400.π .0,112 Hệ thống phân phối nước : chọn 2 ống, mỗi ngăn 1 ống dẫn chính và có vận tốc v = 0.8m/s nên đường kính ống là: S= Q 1000 = = 7, 2.10−3 (m 2 ) v 86400.2.0,8 D= 4.S 4.7, 2.10−3 = = 96(mm) π π Chọn đường kính D=90 mm, Kiểm tra lại vận tốc Trang 17 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp v= Nhóm 3 Q 1000.4 = = 0,91( m / s) S 86400.π .0, 092 Trên 1 ống dẫn chính, ta sắp xếp các ống phân phối chính, chọn khoảng cách giữa 2 ống phân phối chính là 1m. Như vậy trên 1 ngăn của giàn mưa có 2 ống phân phối chính, trên ống phân phối chính có các ống nhánh được nối với ống phân phối chính theo hình xương cá, ống phân phối chính có chiều dài bằng chiều rộng giàn mưa là 1m. Chọn vận tốc nước chảy trong ống phân phối chính là 1m/s, đường kính các ống phân phối chính là: Q.4 1000.4 = = 60, 7(mm) π .v 86400.2.2.π .1 D= Chọn các ống phân phối chính có đường kính là 60mm, kiểm tra lại vận tốc nước trong ống phân phối chính: v= 4.Q 4.1000 = = 1, 024(m / s ) 2 π .D 86400.2.2.π .0, 06 2 Chọn khoảng cách giữa các ống nhánh là 500mm. Như vậy số ống nhánh trên 1 ống phân phối chính là : n = 2 . ( 1 / 0,5 + 1 ) = 6 (ống) qn = Lượng nước vào các ống nhánh là: 1000 = 4,83.10−4 (m3 / s) 86400.2.2.6 Chọn vận tốc nước trong ống nhánh là 1,4m/s. Như vậy đường kính của ống nhánh là: d = qn .4 4,83.10−4.4 = = 21(mm) π .v π .1, 4 Tổng diện tích lỗ trên 1 ống nhánh theo quy phạm chọn từ 30 – 35% diện tích tiết diện ngang của ống phân phối chính, chọn tỉ lệ này là 30%. tổng diện tích lỗ phun là: 0,3. π .0, 062 = 8,5.10−4 (m 2 ) 4 Chọn đường kính lỗ phun mưa là 10mm, số lỗ phun mưa trên 1 ống nhánh là : Trang 18 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Nhóm 3 = số lỗ =Tổng diện tích lỗ /Diện tích một lỗ Thời gian làm thoáng của nước : t = 8,5.10−4 = 11 (lỗ) π .0, 012 4 2.h 2.2,1 = = 0, 65( s) g 9,8 Tổn thất thủy lực qua giàn mưa: là 0,5m. Tóm tắt kết quả tính toán giàn mưa Thông số tính toán 1.Cường độ tưới Đơn vị m3/m2.h Giá trị 10 2.Diện tích bề mặt giàn mưa m2 4 3.Chiều cao phần làm thoáng m 2,1 4.Đường kính lỗ sàn tung mm 14 5.Số tấm inox cho giàn mưa tấm 12 6.Ống thu nước và xả cặn của giàn mưa mm 110 7.Ống dẫn chính mm 90 8.Ống phân phối chính mm 60 9.Ống nhánh mm 21 s 0,65 10.Thời gian làm thoáng 4.2.2.Bể lắng ngang Nhiệm vụ : lắng cặn và tăng quá trình phản ứng oxi hóa. Nguyên lý hoạt động Nước từ sàn thu nước của giàn mưa dẫn qua bể lắng, sau đó đi qua các lỗ trên vách ngăn và chảy qua vùng lắng. Tại đây, các hợp chất kết tủa của asen sẽ được lắng lại 1 phần, nước sau khi đi từ đầu bể đến cuối bể sẽ đi qua các lỗ thu nước bề mặt và các máng thu nước cuối dẫn vào mương thu nước và phân phối nước đi vào các bể lọc. Cặn sẽ được định kỳ xả ra ngoài ra giàn ống thu nước xả cặn. Trang 19 Đồ Án môn học Xử Lý Nước Cấp Dung tích bể lắng W=Q.T= Nhóm 3 1000 .1,5 = 62,5( m3 ) 24 Trong đó: Q = 1000 m3 /d: công suất xử lý của trạm. T = 1,5 h: thời gian lưu nước trong bể. Lấy chiều cao vùng lắng trong bể là 2,5m. Diện tích mặt bằng bể lắng là: F= W 62,5 = = 25m 2 Hl 2,5 Chọn chiều rộng bể lắng là 2,5m thì chiều dài của bể là 10m. Đầu bể lắng có thiết kế một tường chắn để phân phối dòng nước vào bể. Tường phân phối này cách tường đầu bể 1m. Trên tường phân phối có đục các lỗ để phân phối điều nước vào bể lắng. Chọn vận tốc nước qua lỗ phân phối là 0,3m/s. Tổng diện tích các lỗ phân phối trong bể lắng là: Tổng diện tích lỗ = 1000 = 0, 039m 2 86400.0,3 Chọn kích thước 1 lỗ là 50.50mm. Tổng số lỗ trên vách phân phối trong bể lắng là: Tổng số lỗ= 0, 039 = 15, 6 (lỗ) 0, 05.0, 05 Chọn số lỗ phân phối trên vách phân phối trong bể lắng là 15 lỗ. Kiểm tra lại vận tốc nước chảy qua các lỗ phân phối: v= 1000 = 0,309m / s 86400.15.0, 052 Chiều cao hữu ích của vách phân phối nước vào là chiều cao mà trong đó bố trí các lỗ phân phối, chiều cao hữu ích của vách phân phối cũng chính là chiều cao vùng lắng trong bể. Diện tích hữu ích của vách phân phối nước vào là 2,5.2,5 = 6,25m2 Chọn chiều cao hàng lỗ duới cùng cách chiều cao lớp cặn là 0,3m, chiều cao vùng chứa cặn là 1m. Vậy hàng lỗ dưới cùng cách đáy bể là 1,2m. chiều dài làm việc của bể lắng là: Lbể = 10 – 1,2= 8,8 m Tính phần thu nước cuối bể: sử dụng ống thu nước bề mặt Trang 20