Khảo sát khả năng khử ammonia, chất hữu cơ tự nhiên (nom), sắt và mangan trong nước mặt bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.03 MB, 101 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHỬ AMMONIA, CHẤT HỮU CƠ
TỰ NHIÊN (NOM), SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC
MẶT BẰNG BỂ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT
Chuyên Ngành: Công Nghệ Môi Trường
Mã số: 60 85 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------o0o------
ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHỬ AMMONIA, CHẤT HỮU CƠ
TỰ NHIÊN (NOM), SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC
MẶT BẰNG BỂ LỌC SINH HỌC NHỎ GIỌT
Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
Mã số: 60 85 06
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2014
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN
TS. TRẦN TIẾN KHỐI
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. LÊ CÔNG NHẤT PHƯƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. NGUYỄN THẾ VINH
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 30 tháng 7 năm 2014.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. NGUYỄN TẤN PHONG
2. TS. LÊ CÔNG NHẤT PHƯƠNG
3. TS. NGUYỄN THẾ VINH
4. TS. TRẦN TIẾN KHỐI
5. TS. LÂM VĂN GIANG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐẶNG HOÀNG THANH SƠN
MSHV: 11250526
Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1986
Nơi sinh: Long An
Chuyên ngành: Công nghệ môi trường
Mã số: 608506
I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Khảo sát khả năng khử ammonia, chất hữu cơ tự nhiên (NOM), sắt và mangan
trong nước mặt bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Khảo sát và đánh giá hiệu quả khử ammonia, chất hữu cơ tự nhiện (NOMs), sắt và
mangan của bể lọc sinh học, hoạt động ở tải trọng thủy lực cao.
- Đánh giá lại nhu cầu sử dụng chlorine và khả năng hình thành THMs và THMFP của
nước nguồn khi ứng dụng bể lọc sinh học tiền xử lý các chất ô nhiễm.
- Đề xuất thông số thiết kế và vận hành bể lọc sinh học nhằm tiền xử lý nước thơ giảm nhu
cầu chlorine và nguy cơ hình thành THMs và THMFP cho nước nguồn.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
19/08/2013
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:
15/07/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH:
PGS.TS. NGUYỄN PHƯỚC DÂN
CÁN BỘ ĐỒNG HƯỚNG DẪN:
TS. TRẦN TIẾN KHỐI
TP. HCM, ngày 30 tháng 7 năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
TRƯỞNG KHOA
i
LỜI CẢM ƠN
Sauhai năm học tập và hoạt động tại Trường Đại Bách Khoađể hồn thành
chương trình đào tạo sau đại học, Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong
Khoa Công Nghệ Môi Trường - Trường Đại Học Bách Khoa - Thành Phố Hồ Chí
Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức, những kinh nghiệm quý báu cho Tơi.
Để hồn thành luận văn cao học này, Tơi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn
Phước Dân và thầy Trần Tiến Khơi đã tận tình giúp đỡ Tơi trong suốt q trình
nghiên cứu và hồn thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn đếncơ Đặng Vũ Bích Hạnh và các Anh, Chị nhân viên phịng
thí nghiệm đã giúp đỡ, hướng dẫn, tạo điều kiện cho Tơithực hiện và triển khai mơ
hình tại đây.
Xin chân thành cảm ơn ban Tổng Giám đốc Tổng Cơng ty cấp nước Sài Gịn
(SAWACO), ban Giám đốc Nhà máy nước Tân Hiệp, Trạm bơm nước thơ Hịa Phú
đã tạo điều kiện cho tôi triển khai thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu.
Cuối cùng con xin tri ân đến Bố, Mẹ đã động viên lo lắng cho con về mọi mặt để
con có được như ngày hơm nay.
Một lần nữa xin tỏ lịng biết ơn chân thành đến tất cả.
Đặng Hoàng Thanh Sơn
ii
TÓM TẮT
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm khảo sát hiệu quả khử ammonia, sắt,
mangan và cacbon hữu cơ hòa tan bằngbể lọc sinh học hoạt động ở tải trọng thủy
lực cao (50, 100, 150 m3/m2.d) như là quá trình tiền xử lý nước trước q trình
chlorine hóa sơ bộ tại trạm bơm Hịa Phú. Tính chất nước nguồn sử dụng trong
nghiên cứu có nồng độ ammonia 0.47±0.14 mg NH4+/L, sắt tổng 1.05±0.33 mg/L,
mangan tổng 0.12±0.04 mg/L và DOC 3.69±0.61 mg/L. Vận hànhmơ hình ở hai
quy mơ khác nhau, quy mơ phịng thí nghiệm vận hành với mẫu nước giả lập và quy
mô pilot vận hành với nước sông Sài Gịn.
Kết quả thí nghiệm cho thấy khi bể lọc sinh học hoạt động ở tải trọng thủy lực
50 m3/m2.d cho kết quả khử ammonia cao nhất và giảm dần khi tăng tải trọng. Hiệu
quả xử lýở hai mơ hình qui mơ phịng thí nghiệm và quy mơ pilot có sự chênh lệch
khá cao khi vận hành, cụ thể như sau: Tải trọng 50 m3/m2.d của mơ hình phịng thí
nghiệm xử lý được 67% ammonia, 50% sắt, 88% mangan và 39% DOC. Trong khi
đó, mơ hình pilot chỉ đạt kết quả xử lý ammonia 33%, sắt 50%, mangan 10% và
DOC hầu như không xử lý được.
Ứng dụng bể lọc sinh học trước q trình chlorine hóa sơ bộ dẫn đếnnhu cầu
chlorine giảm khoảng 55.9%, hàm lượng THMs hình thành giảm từ 104.4±10.52
µg/L xuống 80.2±13.73 µg/L và THMFP từ 470.6±270.33 µg/L xuống 111.6±58.90
µg/L ở mẫu nước giả lập.Mẫu nước sơng Sài Gịnkết quả hình thành THMs và
THMFP khơng giảm như mong đợi bởi hiệu quả xử lý DOC của mơ hình pilot
khơng tốt dẫn đến khả năng hình thành THMs và tiềm năng hình thành THMFP
khơng có sự khác biệt giữa nước nguồn trước và sau xử lý sinh học.
iii
ABSTRACT
This study was designed to investigate removal efficiency of ammoniumnitrogen, iron, manganese and dissolved organic carbon (DOC) using a biofilter,
which can run at high hydraulic loading rates (50, 100, 150 m3/m2.d). This biofilter
was functioned as a pre-treatment process that followed by pre-chlorination process.
The characteristics of influent water taken from Saigon river, which was being used
for this study with pilot-scale contained 0.47±0.14 mg/L N-ammonia, 1.05±0.33
mg/L total iron, 0.12±0.04 mg/L total manganese and 3.69±0.61 mg/L DOC. The
lab-scale model was also feed with synthetic water, whose character was similar to
pilot-scale’s.
The experimental results showed that the process obtained the highest
ammonium removal efficiency (ARE)
at hydraulic loading rate (HLR) of 50
m3/m2.d. However, the higher HLR was, the lower ARE was. There were much
difference between lab-scale and pilot-scale in results achieved during long-term
operation. Actually, at HLR of 50 m3/m2.d, removal efficiency of ammonium, iron,
manganese and DOC in lab-scale were 67%, 50%, 88% and 39%, respectively,
whilst in pilot scale were 33%, 50%, 10%, 0% (DOC was mostly not treated).
Using biofiler before pre-chlorine process for synthetic water in lab-scale leads
to decrease in chlorine demand about 55,9%, concentration of THMs also went
down from 104.4±10.52 µg/L to 80.2±13.73 µg/L, THMFP decreased of 23.5%,
from 470.6±270.33 µg/L to 111.6±58.90 µg/L. For samples taken from Saigon
river, results in THMs and THMFP was not obtained as expected. Because the
removal efficiency of DOC in pilot-scale was low, THMs and THMFP were high..
iv
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
LỜI CAM ĐOAN
Họ tên học viên: ĐẶNG HỒNG THANH SƠN
Ngày, tháng, năm sinh: 20/03/1986
Chun ngành: Cơng nghệ môi trường
Tên đề tài: “Khảo sát khả năng khử ammonia, chất hữu cơ tự nhiên (NOM), sắt và
mangan trong nước mặt bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt”.
Ngày bắt đầu:
19/08/2013
Ngày hồn thành:
15/07/2014
Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. NGUYỄN PHƯỚC DÂN
Cán bộ đồng hướng dẫn:
TS. TRẦN TIẾN KHƠI
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Những kết quả và số liệu trong
luận văn chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tơi hồn thành chịu trách
nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này.
TP. HCM, ngày 20 tháng 07 năm 2014
Đặng Hoàng Thanh Sơn
v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................. i
TÓM TẮT ................................................................................................................................... ii
ABSTRACT............................................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................................... x
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................................ xii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài ...........................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu .....................................................................................3
4. Phạm vi và giới hạn của đề tài ......................................................................3
5. Ý nghĩa và tính mới của đề tài ......................................................................3
6. Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 5
1.1. Q trình Chlorine hóa và sự hình thành THMs........................................5
1.1.1. Q trình chlorine hóa ........................................................................5
1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chlorine .....................................7
1.1.3. Hình thành sản phẩm phụ của quá trình khử trùng DBPs ..................9
1.1.4. Ảnh hưởng của DBPs đến sức khỏe ...................................................9
1.2. Hiện trạng nguồn nước sơng Sài Gịn và cơng nghệ xử lý nước tại nhà
máy nước Tân Hiệp ...............................................................................................11
1.3. Tính chất hóa học của ammonia, NOMs, Sắt và Mangan .......................12
1.3.1. Nitơ ammonia trong nước tự nhiên: ..................................................12
1.3.2. Chất hữu cơ tự nhiên (NOMs): .........................................................13
vi
1.3.3. Sắt trong nước mặt: ...........................................................................14
1.3.4. Mangan trong nước mặt: ...................................................................15
1.3.5. Công nghệ lọc sinh học .....................................................................15
1.3.6. Bể lọc sinh học hiếu khí (Trickling Filter) .......................................18
1.4. Tình hình nghiên cứu của vấn đề trên thực tế ..........................................19
1.4.1. Sử dụng chất oxi hóa khác thay thế chlorine ....................................19
1.4.2. Kiểm sốt DBPs cuối đường ống ......................................................21
1.4.3. Kiểm soát DBPs bằng cách khống chế các nguyên nhân hình thành
DBPs .................................................................................................................21
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................25
2.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................25
2.2. Thí nghiệm 1 ............................................................................................27
2.2.1. Mơ hình lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm ..............................27
2.2.2. Ngun vật liệu .................................................................................29
2.2.3. Vi sinh ni cấy ................................................................................30
2.2.4. Nước thô giả lập ................................................................................30
2.2.5. Điều kiện vận hành ...........................................................................30
2.3. Thí nghiệm 2 ............................................................................................31
2.3.1. Mơ hình lọc sinh học quy mô pilot ...................................................31
2.3.2. Nguyên vật liệu .................................................................................33
2.3.3. Vi sinh ni cấy ................................................................................33
2.3.4. Tính chất nước thơ sơng Sài Gịn......................................................33
2.3.5. Điều kiện vận hành ...........................................................................34
2.4. Thí nghiệm 3 và 4 ....................................................................................35
vii
2.4.1. Khảo sát nhu cầu chlorine .................................................................35
2.4.2. Ước tính khả năng hình thành THMs và THMFP ............................36
2.5. Khảo sát lớp màng vi sinh vật ..................................................................36
2.6. Phương pháp phân tích và chuẩn bị mẫu .................................................37
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................................38
3.1. Kết quả thí nghiệm 1: Xác định tải trọng thủy lực thích hợp mơ hình lọc
sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. ......................................................................38
3.1.1. Q trình nitrat hóa ...........................................................................38
3.1.2. Hiệu quả xử lý DOC .........................................................................41
3.1.3. Hiệu quả xử lý sắt và mangan ...........................................................43
3.2. Kết quả thí nghiệm 2: Xác định tải trọng thủy lực thích hợp mơ hình lọc
sinh học quy mơ pilot. ...........................................................................................45
3.2.1. Q trình nitrat hóa ...........................................................................45
3.2.2. Hiệu quả xử lý DOC .........................................................................47
3.2.3. Hiệu quả xử lý sắt và mangan ...........................................................48
3.3. So sánh kết quả thí nghiệm 1 và 2 ...........................................................50
3.3.1. So sánh q trình chuyển hóa ammonia của mơ hình phịng thí
nghiệm và mơ hình pilot ...................................................................................50
3.3.2. So sánh hiệu quả xử lý DOC của của mô hình phịng thí nghiệm và
mơ hình pilot .....................................................................................................52
3.3.3. So sánh hiệu quả xử lý sắt của của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ
hình pilot ...........................................................................................................52
3.3.4. So sánh hiệu quả xử lý mangan của của mơ hình phịng thí nghiệm
và mơ hình pilot ................................................................................................53
3.4. Đề xuất thơng số thiết kế và vận hành cho bể lọc sinh học .....................54
viii
3.5. Tương quan độ kiềm tiêu thụ, pH với nồng độ ammonia chuyển hóa ....55
3.6. Khảo sát vi sinh vật trong lớp màng ........................................................56
3.7. Kết quả thí nghiệm 3 và 4: Xác định nhu cầu chlorine............................58
3.7.1. Nhu cầu chlorine hóa ........................................................................58
3.7.2. Ước tính khả năng hình thànhTHMs và THMFP .............................59
3.8. Dự tốn chi phí vận hành hiệu quả kinh tế ..............................................61
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................63
4.1. Kết luận ....................................................................................................63
4.2. Kiến nghị ..................................................................................................64
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................65
PHỤ LỤC A: GIAI ĐOẠN KHỞI ĐỘNG MƠ HÌNH ..............................................................69
PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM .....................................................................................73
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1: Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình tiền chlorine hóa [6]. ............................................... 8
Bảng 1-2: Một số tiêu chuẩn quy định nồng độ tối đa cho phép của THMs. ..................................... 8
Bảng 1-3: Độc tính của các DBPs [7]. ..............................................................................................10
Bảng 1-4: Chất lượng nước sơng Sài Gịn tại Hòa Phú giai đoạn 2010-2011 [3]. ............................11
Bảng 1-5: Bảng thống kê các q trình oxi hóa sắt. ..........................................................................14
Bảng 1-6: Bảng thống kê các q trình oxi hóa mangan. .................................................................15
Bảng 2-1: Đặc điểm kỹ thuật thiết bị sử dụng cho mơ hình phịng thí nghiệm.................................28
Bảng 2-2: Đặc điểm kỹ thuật giá thể sử dụng trong mơ hình phịng thí nghiệm. .............................29
Bảng 2-3: Bố trí giá thể trong mơ hình phịng thí nghiệm. ...............................................................29
Bảng 2-4: Thành phần nước thơ giả lập. ...........................................................................................30
Bảng 2-5: Thiết bị sử dụng cho mơ hình pilot. .................................................................................32
Bảng 2-6: Bố trí giá thể trong mơ hình pilot. ....................................................................................33
Bảng 2-7: Thành phân nước thơ sơng Sài Gịn trong giai đoạn thí nghiệm. .....................................34
Bảng 2-8: Tóm tắt điều kiện vận hành của hai mơ hình. ..................................................................34
Bảng 2-9: Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nghiên cứu...............................................37
Bảng 3-1: Thơng số thiết kế và vận hành mơ hình đề xuất. ..............................................................55
Bảng 3-2: Kết quả phân tích thành phân dinh dưỡng trên lớp màng vi sinh vật. ..............................56
Bảng 3-3: Ma trận hệ số tương quan đơn của nhu cầu chlorine với các hợp chất tiêu thụ chlorine
(n=14). ...............................................................................................................................................58
Bảng 3-4: Chi tiết thống kê mơ hình phân tích hồi quy nhu cầu chlorine (n=14) mẫu: ....................59
Bảng 3-5: Ma trận hệ số tương quan đơn của THM0, THM7, THMFP và DOC (n=14). ..................60
Bảng 3-6: Ước tính chi phí chlorine hóa sơ bộ khi áp dụng cho nhà máy nước Tân Hiệp mô hình
pilot. ..................................................................................................................................................61
Bảng 3-7: Ước tính chi phí chlorine hóa sơ bộ khi áp dụng cho mơ hình phịng thí nghiệm. ..........61
x
DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1: Sơ đồ quy trình cơng nghệ xử lý nước nhà máy nước Tân Hiệp. .....................................12
Hình 1-2: Cấu tạo lớp màng cơ sở và bề mặt của lớp màng. ............................................................16
Hình 1-3: Cơ chế chuyển hóa chất nền bên trong lớp màng vi sinh vật hiếu khí dính bám..............16
Hình 1-4: Chu trình hình thành và bong tróc của màng sinh học. ....................................................18
Hình 1-5: Mơ hình bể biophin (bể lọc sinh học nhỏ giọt). ................................................................18
Hình 1-6: Sơ đồ quy trình cơng nghệ xử lý nước cấp ở Choisy le Roi, Pháp [12]. ..........................19
Hình 1-7: Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước mặt nhà máy ở Langenau (Đức) [10]. .................................20
Hình 2-1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu. ..............................................................................................25
Hình 2-2: Sơ đồ bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. .............................................................27
Hình 2-3: Mơ hình bể lọc sinh học quy mơ pilot (xem phụ lục, bản vẽ chi tiết lắp đặt mơ hình). ...31
Hình 2-4: Bộ phận rây nước của mơ hình sinh học quy mơ pilot. ....................................................32
Hình 3-1: Biến thiên ammonia của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. ...............................39
Hình 3-2: Hiệu quả chuyển hóa ammonia theo bậc của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm.40
Hình 3-3: Hiệu quả xử lý DOC của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. ..............................41
Hình 3-4: Biểu đồ mối tương quan giữa hiệu suất chuyển hóa ammonia, nitơ mất đi và xử lý DOC
của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. .................................................................................42
Hình 3-5: Hiệu quả xử lý sắt của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. ..................................43
Hình 3-6: Hiệu quả xử lý mangan của bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm. ..........................44
Hình 3-7: Biến thiên ammonia của bể lọc sinh học quy mơ pilot. ....................................................45
Hình 3-8: Hiệu quả chuyển hóa ammonia theo bậc của bể lọc sinh học quy mơ pilot. ....................46
Hình 3-9: Hiệu quả xử lý DOC của bể lọc sinh học quy mơ pilot. ...................................................47
Hình 3-10: Biểu đồ mối tương quan giữa hiệu suất chuyển hóa ammonia, nitơ mất đi và xử lý DOC
của bể lọc sinh học quy mô pilot. ......................................................................................................48
Hình 3-11: Hiệu quả xử lý sắt của bể lọc sinh học quy mơ pilot. .....................................................49
Hình 3-12: Hiệu quả xử lý mangan của bể lọc sinh học quy mô pilot. .............................................49
xi
Hình 3-13: Biểu đồ so sánh hiệu suất chuyển hóa ammonia của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ
hình pilot. ..........................................................................................................................................50
Hình 3-14: Biểu đồ so sánh hiệu quả nitơ mất đi của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ hình pilot. 51
Hình 3-15: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý DOC của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ hình pilot.52
Hình 3-16: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý sắt của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ hình pilot.....53
Hình 3-17: Cấu trúc lớp giá thể. ........................................................................................................53
Hình 3-18: Biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý mangan của mơ hình phịng thí nghiệm và mơ hình
pilot. ..................................................................................................................................................54
Hình 3-19: Biểu đồ mối quan hệ giữa ammonia chuyển hóa và lượng kiềm tiêu thụ. ......................55
Hình 3-20: Biểu đồ mối quan hệ giữa ammonia chuyển hóa và dao động của pH trong thí nghiệm.
...........................................................................................................................................................56
Hình 3-21: Vi sinh vật bám trên lớp giá thể mơ hình phịng thí nghiệm. .........................................57
Hình 3-22: Q trình kiểm tra vi sinh vật sinh học của mơ hình phịng thí nghiệm. ........................57
Hình 1: Biểu đồ chuyển hóa COD qua các mẻ của mơ hình xử lý phịng thí nghiệm. .....................70
Hình 2: Biểu đồ chuyển hóa ammonia qua các mẻ của mơ hình xử lý phịng thí nghiệm. ...............70
Hình 3: Biểu đồ chuyển hóa COD khi vận hành bể lọc sinh học mơ hình pilot (Biogill).................71
Hình 4: Biểu đồ chuyển hóa ammonia khi vận hành bể lọc sinh học mơ hình pilot (Biogill). .........72
xii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AOB: Ammonia oxidizing bacteria
AOP: Advanced oxidation process - Q trình oxy hóa bậc cao
BAC: Biological activated carbon - Than hoạt tính sinh học
BDOC: Biodegradable dissolved organic carbon - Carbon hữu cơ hòa tan dễ phân
hủy sinh học
BOM: Biodegradable organic matters - Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
COD: Chemical oxy demand - Nhu cầu oxy hóa học
DOC: Dissolved organic carbon - Carbon hữu cơ hịa tan
DBPs: Disinfection By-Products - Sản phẩm phụ sau quá trình khử trùng
GAC: Granular activated carbon - Than hoạt tính dạng hạt
HAAs: Haloacetic acids - Haloacetic acids
HAAFP: Haloacetic acids formation potential - Tiềm năng hình thành HAA
MCLs: Maximum Contaminant Levels - Mức độ ô nhiễm tối đa
NOB: Nitrit oxidising bacteria
NOMs: Natural organic matters - Chất hữu cơ tự nhiên
QCVN: Quy chuẩn - Việt Nam
SUVA: Specific ultraviolet absorbance - Độ hấp thụ UV tại bước sóng 254 nm
riêng
THMs: Trihalomethane – Trihalomethanes
THMFP: Trihalomethane formation potential - Tiềm năng hình thành THM
TN: Total nitrogen - Tồng nitơ
TOC: Total organic carbon - Tổng carbon hữu cơ
TP.HCM: Ho Chi Minh city - Thành phố Hồ Chí Minh
USEPA: US Environment Protection Agency - Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ
xiii
UV254 : Ultraviolet absorbance at 254 nm wavelength - Độ hấp thụ UV tại bước
sóng 254nm
WHO: World Health Organization - Tổ chức Y tế Thế giới
1
MỞ ĐẦU
1. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài
Khi xã hội phát triển thì sức khỏe con người là vấn đề đầu tiên được quan tâm
và chăm lo nhất trong một quốc gia. Con người ngày nay đã nhận thức sâu sắc
những ảnh hưởng từ môi trường sống, thức ăn, nước uống, các tác nhân trực tiếp tác
động đến sức khỏe. Lĩnh vực cấp nước là một trong những tác nhân chính ở phương
diện này. Do đó, chất lượng nước cấp yêu cầu phải đáp ứng đủ điều kiện để bảo vệ
tốt nhất cho sức khỏe.
Chất lượng nước thủy cục của Việt Nam hiện tại chỉ đạt tiêu chuẩn cấp nước
cho sinh hoạt, định hướng sẽ phát triển để đạt tiêu chuẩn cấp nước cho ăn uống,
tương tự các nước đang phát triển trên thế giới. Đồng thời giới hạn hàm lượng tối đa
cho phép của các chỉ tiêu sẽ ngày càng thu hẹp, để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho
sức khỏe. Điển hình là sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (DBPs) trong nước
cấp,DBPs hiện tại được xác định có hơn 700 loại như phổ biến
làtrihalomethanes(THMs) vàhaloacetic acids(HAAs)là những hợp chất có khả
nănggây ung thưcao [1]. Giá trị cho phép của THMs trong nước cấp ở Việt Nam
hiện tại đang gấp nhiều lần so với các nước phát triển trên thế giới [2].
THMs và HAAslàm sản phẩm sinh ra từ q trình oxy hóa khi trong nước tồn
tại chất hữu cơ tự nhiên và nhóm halogen. Nước thơ dùng cho mục đích cấp nước
của thành Phố Hồ Chí Minh, tình trạng ơ nhiễm chất hữu cơ ngày càng gia tăng[3].
Công nghệ xử lý nước cấp hiện tại của thành phố phải châm chlorine ở nhiều điểm
trên hệ thống mà khơng có biện pháp kiểm sốt hàm lượng THMs và HAAssinh
ra.Để đáp ứng được nhu cầu phát triển trong tương lai công nghệ xử lý nước phải
không ngừng cải thiện cho phù hợp với yêu cầu thực tế và điều kiện cho phép của
Việt Nam. Nhóm nghiên cứu cho rằng đây là vấn đề cấp thiết, cần phải có biện pháp
giải quyết hợp lý để góp phần đưa ngành nước cấp của Việt Nam phát triển, đáp
ứng yêu cầu của xã hội.
2
Có rất nhiều giải pháp kiểm sốt DBPs trong nước cấp như: (1) Sử dụng chất
oxy hóa khác thay cho chlorine, (2) kiểm soát DBPs cuối đường ống (sau khi DBPs
hình thành), (3) Khống chế các nguyên nhân hình thành DBPs(tiền xử lý các tác
nhân lập thành DBPs. Đây là ba giải pháp điển hình để kiểm sốt DBPs, xét thấy
các giải pháp đều có ưu và nhược điểm khác nhau, mỗi giải pháp là một trường kiến
thức rộng. Nhóm nghiên cứu đề nghị một phương pháp kiểm soát DBPsbằng bể lọc
sinh học hiếu khí xử lý ammonia, sắt và mangan trong nước nguồn, nhằm giảm
lượng chlorine sử dụng hạn chế việc hình thành DBPs. Theo hướng giải pháp thứ ba
đã nêu trên.
Ưu điểm của phương pháp:
Kiểm soát DBPs đầu nguồn là một giải pháp tích cực hơn so với việc xử lý
DBPs cuối đường ống.
Không phải thay đổi tác nhân oxy hóa chlorine bằng ozone, mangan,…vì
chlorine có nhiều ưu điểm riêng phù hợp với Việt Nam.
Bể lọc sinh học có khả năng xử lý đồng thời nhiều tạpchất trong nước (như
ammonia, sắt, mangan và chất hữu cơ tự nhiên(NOMs).
Bể lọc sinh học hiếu khí dễ vận hành và kiểm soát vận hành, khả năng xử lý
ammonia cao.
Thực hiện đề tài “Khảo sát khả năng khử ammonia, NOMs, sắt và mangan
trong nước mặt bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt” cung cấp thêm cơ sở khoa học
phục vụ cho việc đánh giá, lựa chọn các giải pháp nâng cao chất lượng nước cấp tại
Việt Nam hiện tại cũng như trong tương lai.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đánh giá khả năng xử lý ammonia, NOMs, sắt và mangan của bể lọc sinh học
nhằm giảm lượng chlorine sử dụng tại nhà máy và hạn chế hình thành sản phẩm phụ
của q trình chlorine hóa.
3
3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu sau đây được thực hiện:
Nghiên cứu xử lý ammonia,NOMs, sắt và mangan bằng công nghệ lọc sinh
học hiếu khí:
- Xác định hiệu quả xử lý ammonia của bể lọc sinh học ở các tải trọng thủy
lực50, 100, 150 m3/m2.d tương ứng với tải trọng ammonia 21, 42, 63 gNH4N/m2.d bằng bể lọc sinh học quy mơ phịng thí nghiệm và quy mơ pilot tại
trạm bơm Hịa Phú.
- Đánh giá cơng nghệ lọc sinh học hiếu khí khi ứng dụng trong xử lý nước
cấp, với nước nguồn có nồng độ ammonia và chất hữu cơ thấp (dựa trên các
tiêu chí như hiệu quả xử lý, điều kiện vận hành và những vấn đề phát sinh
trong quá trình vận hành).
Xác định lại nhu cầu chlorine, khả năng hình thành THMs và THMFPkhi
cơng nghệ có thêm quá trình tiền xử lý nước bằng bể lọc sinh học trước q
trình chlorine hóa sơ bộ tại trạm bơm của nhà máy xử lý nước cấp.
4. Phạm vi và giới hạn của đề tài
Thí nghiệm được thực hiện trên hai mơ hình: (1) Mơ hình lọc sinh học quy mơ
phịng thí nghiệm xử lý nước giả lậpcó thành phần mơ phỏng theo tính chất nước
nguồn tại khu vực trạm bơm Hịa Phú. (2) Mơ hình lọc sinh học quy mơ pilot đặt tại
trạm bơm hịa phú xử lý nước sơng tự nhiên.
5. Ý nghĩa và tính mới của đề tài
Ý nghĩa khoa học:Cơng nghệ xử lý chi phí thấp và thân thiện môi trường.
Ý nghĩa thực tiễn:Nghiên cứu bể lọc sinh học nhằm đưa ra giải pháp cải thiện
công nghệ xử lý nước cấp, có kiểm sốtDBPs. Cung cấp nước an tồn sức khỏe
cộng đồng.
Tính mới của đề tài: Hiện tại ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu để kiểm sốt
DBPs hình thành trong q trình xử lý nước cấp điển hình như: “Nghiên cứu các
4
quá trình bậc cao để xử lý nước nguồn bị ô nhiễm hữu cơ - [4], Nghiên cứu thực
nghiệm mô hình pilot ozone/UV kết hợp với BAC để giảm thiểu sự hình thành DBPs
trong cấp nước - [3], Nghiên cứu khả năng hạn chế sự tạo thành trihalomethane
trong nước cấp đã chlorine hóa bằng hydropeoxit - [5]”, trên là những nghiên cứu
gần nhất với đề tài.Tuy nhiên, để giải quyết vấn đề đượcđặt ra như trên theo phương
pháp sử dụng bể lọc sinh học nhằm xử lý ammonia, NOMs, sắt, mangan và kiểm
sốt DBPs hình thành vẫn chưa được thực hiện tại Việt Nam.
6. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài bao gồm:
Tham khảo các tài liệu đã nghiên cứu trong và ngồi nước.
Tiến hành thực nghiệm trên mơ hình.
Phương pháp lấy mẫu và phân tích.
Phương pháp tính tốn và xử lý số liệu.
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Q trình Chlorine hóa và sự hình thành THMs
1.1.1. Q trình chlorine hóa
Phản ứng chlorine trong nước:
Chlorine là hóa chất khử trùng và oxy hóa thường được sử dụng nhất. Một số
loại chlorine được sử dụng trong thực tế như Cl2, sodium hypochlorite NaOCl được
biết như một chất tẩy trắng, calcium hypochloriteCa(OCl)2, hoặc vôi
hypochloriteCaOCl2.
Chlorine được thêm vào trong nước tạo thành hỗn hợp axit hypochlorous
(HOCl) và axit hydrochloric (HCl) theo phương trình phản ứng sau:
1-1
4
10
(ở 25oC)
1-2
Phản ứng xảy ra hoàn toàn trong thời gian rất nhanh và phụ thuộc vào pH, có
thể được mơ tả như sau:
Ở pH khoảng 1.0, căn bằng của phương trình (1-1) dịch chuyển nhanh về bên
phải hình thành hypochlorous, Cl2chỉ tồn tại với lượng nhỏ trong dung dịch.
Hypochlorous axit hình thành là một axit yếu, ít bị phân ly ở pH thấp hơn 6.
Nhưng khi pH lớn hơn 6.0 và 8.5 thì hiện tượng phân ly xảy theo phương trình sau:
1-3
Chlorine tồn tại cân bằng với hyphochlorous (HOCl) ở pH 4.0 - 6.0.
pH nhỏ hơn 1.0HOCl có thể chuyển hóa thành Cl2 như phương trình (1-1).
Ở 20oC, pH > 7.5, và ở 0oC, pH > 7.8 hypochlorite ion (OCl-) sẽ chiếm ưu thế.
Hypochlorite ion tồn tại trong nước lớn nhất khi pH lớn hơn hoặc bằng 9.0.
6
Khi chlorine tồn tại ở dạng HOCl hoặc OCl- thì được gọi là chlorine tự do hay
chlorine tự do hoạt hóa.
Hypochlorite được dùng dưới dạng dung dịch của sodium hypochlorite NaOCl
và calcium hypochloriteCa(OCl)2ở dạng tinh thể rắn. Sodium hypochlorite được sử
dụng đại trà khi cần dung với khối lượng lớn, như để khử trùng nước cấp và nước
thải. Calcium hypochlorite chỉ sử dụng khi cần dung khối lượng ít hoặc được sử
dụng không thường xuyên. Cả hai chất này đều phân ly trong nước tạo thành ion
hypochlorite như sau:
2
1-4
1-5
Ion OCl- hình thành cân bằng với ion hidro theo phương trình (1-3). Có thể kết
luận rằng cân bằng OCl- và H+ ln được hình thành trong nước khơng kể chlorine
hay hypochlorite được thêm vào. Chlorine có khuynh hướng làm giảm pH, ngược
lại hypochlorite có khuynh hướng làm tăng pH.
Chlorine phản ứng với chất ô nhiễm:
Chlorine và aixt hypochlorous phản ứng với nhiều chất khác nhau, bao gồm cả
ammonia và các hợp chất của humic tự nhiên trong nước.
Các phản ứng với amomia. Ion NH4+ tồntại cân bằng với ion NH3 và H+.
amonia phản ứng với chlorine hoặc axit hypochlorous để tạo thành momocloramin,
dicloramin và tricloramin phụ thuộc vào khối lượng của mỗi loại và một phần nào
đó phụ thuộc vào pH:
monocloramin
1-6
dicloramin
1-7
tricloramin
1-8
Các phản ứng khác.Chlorine kết hợp với nhiều chất khác nhau, đặc biệt là các
chất khử. Nhiều phản ứng xảy ra rất mạnh. Trong khi đó nhiều phản ứng xảy ra rất
chậm. Các phản ứng thuận nghịch này làm việc sử dụng chlorine để khử trùng trở
7
nên
n phức tạp hơn.
h
Nhu cầu
c chlorinee cho quá trrình chlorinne hóa phải được thỏa mãn
trước khi chloorine có mặt để thực hiện quá trình
t
khử trrùng. Chúnng tạo thànhh rất
nhiiều chất hữuu cơ bị chloorine hóa liiên quan đếến các vấn đđề sức khỏee của con người
tron
ng những năm
n gần đây
y.
Phản ứng giữa hydro
ogen sulfidde và chlorrine là dẫn chứng về phản ứng giữa
chllorine và chhất khử:
2
1-9
Chlorine có
c thể phản
n ứng với nhhiều tác nhâân khử vô ccơ khác tồn
n tại trong nước
n
cấpp như Fe2+, Mn2+ và NO
O2.
c
hữu cơ
c với cầu nối khơngg bão hịa cũng sẽ liêên kết với axit
Các hợp chất
hyppochlorous và tăng nhuu cầu chloriine.
1-10
Chlorine cũng phảnn ứng với các haloggen khác trong nướcc. Ví dụ, axit
hyppochlorous phản ứng với
v brom tạoo thành axit hypobrom
mous:
1-11
HOBr cũn
ng là một chhất khử trùnng nhưng phhản ứng nhhanh hơn ch
hlorine. Vì lý
l đo
này
y, khi brom
mide có mặtt trong nướ
ớc, chlorine trở nên hooạt động mạạnh hơn. HOBr
H
cũn
ng phản ứng
g với các ch
hất hữu cơ.
1.11.2. Các yếu
u tố ảnh hư
ưởng đến qu
uá trình ch
hlorine
Hiệu quảả của q trrình tiền chllorine hóa chịu
c
ảnh hư
ưởng của nhhiều yếu tố như:
tínhh chất nguồồn nước, liều lượng sử dụng, pH, thời
t
gian phhản ứng.
8
Bảng 1-1: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiền chlorine hóa[6].
Ứng dụng
Nồng độ điển hình
pH tối ưu
Thời gian
phản ứng
Hiệu quả
Khử sắt
0.62 mg/mg Fe
7.0
< 01 giờ
Tốt
Khử mangan
0.77 mg/mg Mn
7-8 9.5
1-3 giờ
Cơ chế chậm
Thời gian phản
ứng tăng khi pH
thấp
Vài phút
Yếu tố khác
Kiểm sốt sự phát
triển của vi sinh
1-2 mg/L
6-8
NA
Tốt
Hình thành
DBPs
Kiểm soát mùi vị
Thay đổi
6-8
Thay đổi
Thay đổi
Hiệu quả phụ
thuộc vào từng
hợp chất
Khử màu
Thay đổi
4.0 – 6.8
Vài phút
Tốt
Hình thành
DBPs
Bảng 1-2: Một số tiêu chuẩn quy định nồng độ tối đa cho phép của THMs.
Hợp chất
Mục tiêu nồng độ
tối đa cho phép
(theo USEPA)
(mg/L)
Nồng độ tối đa cho phép
USEPA
Châu Âu
QCVN 01:2009/BYT
(mg/L)
(µg/L)
Việt Nam
(µg/L)
Bromate
0
0.010
25
Bromodichloromethane
0
xem TTHMs
Bromoform
0
xem TTHMs
100
Chlorite
0.8
1.0
200
Chloroform
0
xem TTHMs
Dibromochloromethane
0.06
xem TTHMs
100
Dichloroacetic Acid
0
xem HAAs
50
Haloacetic Acids1(HAAs)
N/A
0.060
N/A
Trichloroacetic Acid
0.3
xem HAAs
100
Total Trihalomethanes2
(TTHMs)
N/A
0.08
15
40
100
60
200
N/A
