Đề tài Phương pháp loại bỏ các tạp chất trong nước fe, mn, no3, thuốc trừ sâu, chất hữu cơ tổng hợp (removal of specific constituents)

& CÁC QUÁ TRÌNH HÓA LÝ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI & Đề tài PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎCÁC TẠP CHẤT TRONG NƯỚCFe, Mn, NO3, thuốc trừ sâu, chất hữu cơ tổng hợp (REMOVAL OF SPECIFIC CONSTITUENTS) @ Trường: ĐH KHTN @ Lớp: 09CMT @ Nhóm thực hiện: Nhóm 13 ’Danh sách thành viên nhóm: STT HỌ và tên MSSV 1 Nguyễn Thị Tú Anh 0922005 2 Phan Lê Hà An 0922007 3 Nguyễn Thị Bích 0922015 4 Lưu Thị Khánh Hiền 0922081 5 Nguyễn Ngọc Mai 0922145 6 Vũ Thị Minh Ngọc 0922166 7 Phạm Kim Oanh 0922183 8 Phạm Thị Ánh Phước 0922198 9 Nguyễn Hoàng Yến 0922315 Bảng phân công Người thực hiện Nhiệm vụ Nội dung Nguyễn Ngọc Mai Xử lý sắt và mangan Loại bỏ sắt Phạm Thị Ánh Phước Cộng nghệ loại bỏ sắt trong nước ngầm Vũ Thị Minh Ngọc Loại bỏ mangan Phan Lê Hà An Xử lý nitrate Nguồn gốc và ảnh hưởng của nitrate đến sức khỏe Lưu Thị Khánh Hiền Các phương pháp xử lý nitrat: Trao đổi ion và màng lọc RO Phạm Kim Oanh Các phương pháp xử lý nitrat: Điện thẩm tách và các phương pháp xử lý khác Nguyễn Hoàng Yến Xử lý chất hữu cơ tổng hợp Giới thiệu chất hữu cơ tổng hợp Nguyễn Thị Tú Anh Giới thiệu hấp phụ Trần Thị Bích Xử lý chất hữu cơ trong nước thải bằng phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính Người thuyết trình: Phạm Thị Ánh Phước phần xử lý sắt và mangan Lưu Thị Khánh Hiền phần xử lý nitrate Nguyễn Hoàng Yến phần xử lý chất hữu cơ tổng hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO WATER AND WASTEWATER ENGINEERING Design Principles and Practice (Mackenzie L. Davis, Ph.D., P.E., BCEE) XỬ LÝ NƯỚC CẤP_NXB xây dựng (TS. NGUYỄN NGỌC DUNG) ADVANCES IN NITRATE REMOVAL, David Elyanow, and Janet Persechino Guidance Document: NITRATE TREATMENT ALTERNATIVES FOR SMALL WATER SYSTEMS June 2005, Washington State Department of Health MỤC LỤC XỬ LÝ SẮT VÀ MANGAN GIỚI THIỆU CHUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC Loại bỏ sắt Loại bỏ sắt bằng phương pháp làm thoáng Loại bỏ sắt bằng phương pháp dùng hóa chất Các phương pháp loại bỏ sắt khác Công nghệ khử sắt trong nước ngầm Sơ đồ 1: Sơ đồ làm thoáng đơn giản và lọc Sơ đồ 2: Giàn mưa- Lắng tiếp xúc- Lọc Sơ đồ 3: Thùng quạt gió- lắng tiếp xúc -lọc Sơ đồ 4: Ezecto thu khí hoặc máy nén khí- Bình trộn khí- lọc áp lực Loại bỏ mangan Loại bỏ mangan bằng phương pháp làm thoáng Các phương pháp loại bỏ mangan khác XỬ LÍ NITRATE NGUỒN GỐC NITRATE ẢNH HƯỞNG CỦA NITRATE ĐẾN SỨC KHỎE CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ NITRATE Trao đổi ion (Ion Exchange) Màng lọc RO (Reverse Omosis) Điện thẩm tách (Electrodialysis) Phương pháp xử lí khác XỬ LÍ CHẤT HỮU CƠ TỔNG HỢP Giới thiệu chất hữu cơ tổng hợp Giới thiệu hấp phụ Xử lí nước chất hữu cơ trong nước thải bằng phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính. XỬ LÝ SẮT VÀ MANGAN GIỚI THIỆU CHUNG Trong nước tự nhiên, kể cả nước mặt và nước ngầm đều có chứa sắt. Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành của chúng. Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thường là Fe(OH)3 không tan ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng hợp chất hữu cơ phức tạp ít tan. Hàm lượng sắt trong nước mặt thường không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước. Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại ở dạng ion, sắt có hóa trị 2(Fe2+) là thành phần của các muối hòa tan như: bicarbonate Fe(HCO3)2; sulfate FeSO4. Hàm lượng sắt có trong các nguồn nước ngầm thường cao và phân bố không đều trong các lớp trầm tích dưới sâu. Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng, làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Vì vậy, khi trong nước có hàm lượng sắt lớn hơn giới hạn cho phép thì phải tiến hành khử sắt. Trong nước ngầm, mangan thường tồn tại ở dạng Mn2+ hòa tan hoặc có thể ở dạng keo không tan. Khi Mn2+ bị oxy hóa sẽ chuyển về dạng Mn3+ và Mn4+ ở dạng hydroxyde kết tủa. Sắt và mangan thường xuất hiện cùng với nhau, công nghệ xử lí cũng tương tự nên trên thực tế việc loại bỏ sắt thường được tiến hành đồng thời cùng với việc loại bỏ mangan. Vết sắt có màu đỏ hoặc màu rỉ sét. Vết mangan có màu nâu hoặc đen. Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ EPA thiết lập tiêu chuẩn thứ cấp (MCA) cho nước uống với Fe là 0.3 mg/L, Mn là 0.05 mg/L. Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm (QCVN 09:2008/BTNMT) hàm lượng sắt cho phép là 5 mg/L. Hiện nay có các phương pháp loại bỏ sắt ra khỏi nước như sau: Loại bỏ sắt bằng phương pháp làm thoáng. Loại bỏ sắt bằng phương pháp dùng hóa chất. Các phương pháp loại bỏ sắt khác: trao đổi cation, điện phân, dùng vi sinh vật, loại bỏ sắt ngay trong lòng đất… Các phương pháp loại bỏ mangan cũng tương tự như loại bỏ sắt. CÁC PHƯƠNG PHÁP LOẠI BỎ SẮT VÀ MANGAN TRONG NƯỚC Loại bỏ sắt Loại bỏ sắt bằng phương pháp làm thoáng Thực chất của phương pháp loại bỏ sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hóa thành Fe3+, sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3, rồi dùng bể lọc để giữ lại. Làm thoáng có thể là làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo. Sau khi làm thoáng, quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác. Sau đây là các trường hợp cụ thể. Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường tự do (phản ứng đồng thể). Trong nước ngầm, sắt (II) bicarbonate là muối không bền vững, thường phân ly theo dạng sau: Fe(HCO3)2 → 2HCO3- + Fe2+ Nếu trong nước có oxy hòa tan, quá trình oxy hóa và thủy phân diễn ra như sau: 4Fe2+ + O2 + 10H2O à 4Fe(OH)3 + 8H+ Đồng thời xảy ra phản ứng phụ: H+ + HCO3- → H2O + CO2 Các quá trình trên chịu ảnh hưởng của các nhân tố sau: pH, O2, hàm lượng sắt của nước ngầm, CO2, độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn Eo. Độ pH của nước Độ pH của nước có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình khử sắt. Nếu độ pH của nước nguồn thấp, quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ sẽ xảy ra rất chậm. Khi trong nước nguồn tồn tại nhiều sắt ở dạng bicarbonate Fe(HCO3)2, thì lượng CO2 được giải phóng trong quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 là nguyên nhân làm giảm độ pH của nước, làm chậm trễ quá trình khử sắt. Vì vậy cần phải đuổi CO2 tự do ra khỏi nước. Điều này có thể thực hiện nhờ các công trình làm thoáng. Trên thực tế, công trình làm thoáng đồng thời thực hiện 2 chức năng: cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa Fe2+, đuổi CO2 tự do ra khỏi nước vào không khí. Quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 sẽ xảy ra nhanh chóng và triệt để khi độ pH của nước sau làm thoáng phải đạt được 7-7.5. Nếu sau làm thoáng độ pH của nước nguồn nhỏ hơn 7 thì sẽ không khử hết sắt trong nước. Độ pH của nước sau làm thoáng hợp lý, thì thời gian cần thiết để các phản ứng hoàn thành, hay nói cách khác là thời gian nước lưu lại trong bể tiếp xúc nhỏ, sẽ giảm khối tích công trình. Khi độ pH của nước nguồn sau làm thoáng nhỏ, có thể nâng độ pH bằng cách kiềm hóa nước hoặc có biện pháp tăng hiệu quả đuổi CO2 tự do ra khỏi nước. Độ kiềm của nước: Độ kiềm của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình khử sắt và có liên hệ mật thiết với độ pH của nước. Độ kiềm càng lớn, lượng CO2 tự do trong nước càng nhỏ thì độ pH của nước càng cao. Độ kiềm trong nước cao là do trong nước có nhiều muối bicarbonate, các muối này không bền vững, dễ dàng tách ra CO2 tự do. Nếu có biện pháp đuổi CO2 tự do ra khỏi nước thì sẽ nâng cao được độ pH. Để oxy hóa và thủy phân 1mg Fe2+ thì tiêu thụ 0.143 mg O2, đồng thời làm tăng 1.60 mg CO2 và độ kiềm giảm 0.036 mgđl/L. Độ kiềm của nước sau khi khử sắt có thể tính theo công thức: Ki=Kio - 0.036CFe2+ mgđl/L Trong đó: Kio: độ kiềm ban đầu của nước (mgđl/L) CFe2+: hàm lượng sắt của nước nguồn (mg/L) Hàm lượng CO2 tự do trong nước Trong quá trình khử sắt sẽ tạo ra CO2 tự do. CO2 này hòa tan trong nước và làm giảm pH của nước nên sẽ làm chậm tốc độ của quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3. Trong quá trình làm thoáng, phần lớn CO2 tự do sẽ được giải phóng ra khỏi nước và bay vào không khí. Lượng CO2 được giải phóng tùy thuộc vào từng công trình làm thoáng. Ngoài ra, quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như: O2, hàm lượng sắt của nước ngầm, nhiệt độ, thời gian phản ứng, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn Eo. Nếu trong nước tồn tại các chất hòa tan như: H2S, NH3, các chất hữu cơ, chúng sẽ gây cản trở cho quá trình oxy hóa Fe2+. Do đó khi làm thoáng phải đuổi hết H2S để quá trình oxy hóa Fe2+ xảy ra thuận lợi. Chính vì vậy, khi khử sắt bằng phương pháp làm thoáng, quy phạm quy định: H2S < 0.2 mg/L; NH4+ < 0.1 mg/L Khi tất cả các ion Fe2+ hòa tan trong nước đã chuyển hóa thành các bông cặn Fe(OH)3. Việc loại bỏ các bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn cơ học. Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc (khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc). Trường hợp này làm thoáng chỉ để cung cấp oxy cho nước. khi làm thoáng, Fe2+ được oxy hóa thành Fe3+ với tỉ lệ nhỏ. Quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc. Quá trình làm thoáng như vậy, sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng. Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất sắt như: Fe2+, Fe3+, Fe(OH)2, Fe(OH)3. Sau khi lớp màng được hình thành, sẽ có tác dụng xúc tác làm tăng tốc độ oxy hóa Fe2+, lớp màng này còn có khả năng hấp phụ O2. Khi Fe2+ đến gần bề mặt lớp màng xúc tác, quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 xảy ra ngay trên lớp màng. Tốc độ oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3 ngay trên lớp màng lớn hơn rất nhiều trong môi trường đồng thể. Như vậy trong bể lọc, không phải chỉ xảy ra quá trình lọc các cặn sắt không tan, mà là một quá trình phức tạp. Thời gian để tạo thành lớp màng xúc tác gọi là thời gian luyện vật liệu lọc. Thời gian này lớn hay bé phụ thuộc nhiều yếu tố như: cỡ hạt (cỡ hạt càng lớn, thời gian luyện càng lâu), chiều dày lớp vật liệu lọc (chiều dày lớp vật liệu lọc lớn, thời gian luyện nhỏ), tốc độ lọc (tốc độ lọc lớn thời gian luyện nhỏ), hàm lượng cặn (hàm lượng cặn càng lớn, thời gian luyện càng nhỏ). Thời gian luyện cát lọc thay đổi trong phạm vi rộng từ 140-330 giờ. Để rút ngắn thời gian luyện cát lọc, người ta đưa thêm vào dung dịch FeSO4 5% với tỉ lệ sao cho hàm lượng sắt trong nước đạt 30-40 mg/L. Để việc khử sắt trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc đem lại hiệu quả kinh tế cao, quy phạm quy định phạm vi ứng dụng sơ đồ công nghệ khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc như sau: pH > 6.8. Hàm lượng sắt hóa trị 2 trong nước ngầm không được lớn hơn 15 ppm, độ oxy hóa của nước ngầm không lớn hơn [0.15(Fe2+).5] mg/L O2; NH4+ < 1 mg/L, độ màu của nước ngay sau khi bơm ra khỏi giếng không được vượt quá 15%. Phản ứng oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màn xúc tác là mangan oxide. Lớp màng mangan oxide là chất xúc tác làm tăng qua trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp (pH<5). Các phản ứng tại lớp màng diễn ra như sau: MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + 2H2O → 3MnO2 + 4Fe(OH)3 + 8CO2. MnO2 + O2 → MnOMn2O7 Dưới tác dụng của lớp màng MnOMn2O7 khi có hợp chất Fe2+ đi qua, MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn2O7 lại được hình thành, nên lớp màng càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh. Trong quá trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến một giới hạn nhất định thì phải bỏ lớp màng đi để thay thế. Thực tế luyện cát lọc với KMnO4 tạo thành lớp màng MnOMn2O7. Sơ đò công nghệ của phương pháp này là: làm thoáng đơn giản trực tiếp trên bề mặt bể lọc và lọc trong bể thông thường với lớp vật liệu lọc là cát mangan hoặc cát xanh (green sand/ glauconite_là các hạt iron potassium silicate màu xanh xám được bọc bởi một lớp mỏng MnO2). Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất Khử sắt bằng các chất oxy hóa mạnh Các chất oxy hóa mạnh thường dùng để khử sắt là: chlorine, chlorine dioxide, permanganate dùng phổ biến ở Mỹ; ozone sử dụng phổ biến ở Châu Âu. Khi cho các chất oxy hóa mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau: 2 Fe(HCO3)2 + Ca(HCO3)2 + Cl2 à 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6CO2 Fe(HCO3)2 + NaHCO3 + ClO2 à Fe(OH)3 + NaClO2 + 3CO2 3Fe(HCO3)2 + KMnO4 + 2H2O à 3Fe(OH)3 + MnO2 + KHCO3 + 5CO2 Trong phản ứng, để oxy hóa 1 mg Fe2+, cần 0.64 mg chlorine hoặc 0.94 mg permanganate và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0.018 mgđl/L. So sánh với phương pháp khử sắt bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy hóa mạnh phản ứng xảy ra nhanh hơn, pH môi trường thấp hơn (pH<6). Nếu trong nước có tồn tại các hợp chất như: H2S, NH3 thì chúng cũng sẽ gây ảnh hưởng đến quá trì khử sắt. Khử sắt bằng vôi. Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợp với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước. Khi cho vôi vào nước quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp. Trường hợp nước có oxy hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng khử sắt diễn ra như sau: 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2à 4Fe(OH)3 + 4Ca(HCO3)2 Sắt(III) hydroxyde được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc. Trường hợp nước không có oxy hòa tan; khi cho vôi vào nước phản ứng diễn ra như sau: 4Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2à FeCO3 + CaCO3 + H2O Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxide sắt. Các phương pháp khử sắt khác Khử sắt bằng trao đổi cation Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion. Các ion Na+ hay H+ có trong thành phần của lớp vật liệu lọc, sẽ trao đổi với ion Fe2+ có trong nước. Kết quả Fe2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi cation gọi là cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan. 2[K]Na + Fe(HCO3)2 → [K]2Fe + 2NaHCO3 2[K]H + Fe(HCO3)2 → [K]2Fe + H2CO3 Cationnit có thể được tái sinh bằng NaCl, HCl. NaCl + [K]2Fe → [K]Na + FeCl2 HCl + [K]2Fe → [K]H + FeCl2 Trao đổi ion thích hợp cho xử lý nước thải với nồng độ sắt ít hơn 0,5 mg/L, tuy nhiên đây không phải là một công nghệ xử lý phổ biến. Nó không phù hợp đối với nước thải có nồng độ sắt cao vì vật liệu trao đổi ion sẽ bị phủ bởi một lớp oxide. Vật liệu bị bao phủ bởi lớp oxide này không thể tái tạo được. Cùng với quá trình này, các cation Ca2+, Mg2+ cũng tham gia trao đổi ion. Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao. Thường dùng kết hợp với làm mềm nước vì giá thành cao. Khử sắt bằng điện phân: dùng các cực âm bằng sắt, nhôm; cùng các cực dương bằng đồng , bạch kim hay đồng mạ kẽm và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng. Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật: cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc. Thông qua hoạt động của các vi khuẩn, sắt được loại bỏ ra khỏi nước. Khử sắt trong lòng đất: dựa trên nguyên tắc: các cation Ca2+, Mg2+ gắn trên khoáng vật của tầng đất đá chứa nước có khả năng trao đổi ion với các ion sắt của nước ngầm. Quá trình khử sắt trong lòng đất được chia thành 2 giai đoạn: Giai đoạn làm giàu oxy : đưa nước bão hòa oxy vào trong lòng đất để Fe2+ gắn trên khoáng vật thành Fe3+. Sau đó Fe3+ bị thủy phân thành Fe(OH)3 và bứt ra khỏi khoáng vật, đồng thời các ion Ca2+ và Mg2+ có trong thành phần của nước lập tức thay thế vị trí của Fe2+ trên khoáng vật vừa bị bứt ra. Tạo thành một vùng phản ứng. Giai đoạn khai thác: khi bơm nước khai thác qua vùng phản ứng đã được tạo thành, các ion Fe2+ của nước ngầm sẽ thay thế vị trí của các ion Ca2+, Mg2+ gắn trên khoáng vật. Kết quả nước khai thác sẽ được khử hết sắt. 2. Công nghệ khử sắt trong nước ngầm a. Sơ đồ 1: Sơ đồ làm thoáng đơn giản và lọc Làm thoáng đơn giản Cho nước phun hoặc tràn trên bề mặt bể lọc với chiều cao không nhỏ hơn 0.6m, rồi lọc trực tiếp qua lớp vật liệu lọc. Có thể dùng giàn khoan lỗ hay máng để phân phối nước. Hình (5-4) giới thiệu sơ đồ làm thoáng đơn giản dùng ống khoan lỗ. Giàn ống phân phối có dạng hình xương cá, trên có khoan lỗ đường kính 5-7 mm. Khoảng cách từ tâm ống đến mực nước cao nhất trong bể lọc không nhỏ hơn 0.6m. Tốc độ nước chảy trong ống v=1.5-2 m/s, đảm bảo cường độ mưa không lớn hơn 10 m3/m2-h. Hình (5-5) giới thiệu sơ đồ làm thoáng đơn giản bằng hệ thống 3 máng tràn. Tốc độ nước chảy trong máng 0.4-0.8m/s, chiều cao tràn từ đỉnh tràn xuống mực nước hạ lưu không ít hơn 0.6m. Nước tràn từ máng thứ nhất sang máng thứ hai theo hệ phân phối răng cưa. Khoảng cách trục các răng cưa 35mm, chiều sâu răng cưa 25mm. từ máng thứ 2, nước chảy tràn qua hệ thống răng cưa vào máng tập trung của bể lọc và vào bể lọc qua các máng phân phối của bể. Theo TCXD-33:1985 sơ đồ làm thoáng đơn giản có khả năng khử được 30-35% lượng CO2 có trong nước với chiều cao phun mưa ≥1.0m. Hình 5-4: Sơ đồ làm thoáng bằng giàn ống khoan lỗ Hình 5-5: Sơ đồ làm thoáng bằng hệ thống máng tràn Bể lọc nhanh Có cấu tạo và nguyên tắc làm việc như các bể lọc nhanh thông thường. Do quá trình oxi và thủy phân sắt còn tiếp tục xảy ra trong lớp vật liệu lọc, nên ngay từ đầu chu kì lọc, cặn đã bám sẵn trong lớp vật liệu lọc và độ chứa cặn của lớp vật liệu lọc sẽ cao hơn. Vì vậy cấp phối hạt vật liệu lọc lấy lớn hơn, đường kính tương đương của hạt dtd=0.9-1.3mm. chiều dày lớp vật liệu lọc từ 1-1.2m. Tốc độ lọc lấy theo thông số thực nghiệm hoặc có thể lấy trong khoảng 7-10m/h. Rửa lọc nên dùng biện pháp nước và gió kết hợp. cường độ rửa lọc đối với nước 10-12l/sm2, gió 201/sm2. Có thể dùng bể lọc 2 lớp vật liệu lọc là than angtraxit và cát thạch anh cho trường hợp này. Phạm vi áp dụng Sơ đồ khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc có thể sử dụng cho nguồn nước có hàm lượng sắt ≤15mg/l; độ oxi hóa ≤ [0.15(Fe2+).5] mg/l O2, NH4 (1+ Fe2+28) mgđl/l. Sơ đồ này có thể áp dụng cho các trạm xử lý có công suất bất kì. Ưu điểm của phương pháp Công trình xử lý đơn giản, hiệu quả xử lý cao và ổn định. Chu kì kéo dài do tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc tăng chậm. b. Sơ đồ 2: Giàn mưa- Lắng tiếp xúc- Lọc Giàn mưa: hay còn gọi là công trình làm thoáng tự nhiên, có chức năng làm giàu oxi cho nước và khử khí CO2 có trong nước. Giàn mưa cho khả năng thu được lượng oxi hòa tan bằng 55% lượng oxi bão hòa và có khả năng khử được 75-80% lượng CO2 có trong nước. Nhưng lượng CO2 còn lại sau làm thoáng không xuống thấp hơn 5-6mg/l. cấu tạo giàn mưa gồm các bộ phận sau: 1/ Hệ thống phân phối nước 2/ Sàn tung nước 3/ Sàn đổ vật liệu tiếp xúc 4/ Hệ thống thu, thoát khí và ngăn nước. 5/ Sàn và ống thu nước Cấu tạo của giàn mưa và bể lắng tiếp xúc được thể hiện trên hình (5-6) Hình 5-6: Giàn mưa và bể lắng tiếp xúc Ống dẫn nước giếng lên giàn mưa Máng chính chữ U Máng nhánh chữ V có răng cưa Lá chớp Sàn tung Ngăn thu nước Ống dẫn nước vào bể tiếp xúc Ống trung tâm Máng thu Ống dẫn nước sang bể lọc Ống xã cặn. Hệ thống phân phối nước: có thể dùng hệ thống máng phân phối nước hoặc hệ thống giàn ống phân phố hoặc sàn phân phối. Hệ thống máng phân phối bao gồm: một máng chính có tiết diện chữ nhật và có máng phụ góc với máng chính có tiết diện hình chữ V với các răng cưa ở mép trên của máng để phân phối nước. Khoảng cách giữa trục các máng phụ là 0.3 m, khoảng cách trục các răng cưa là 35mm, chiều sâu răng cưa là 25mm. Khoảng cách từ mép máng chính đến mép máng phụ lấy từ 30-100mm. Nếu dùng sàn phân phối bằng tôn, thì lỗ khoan có d=5mm. Số lỗ tính toán để lớp nước trên sàn luôn dày 50-70mm để đảm bảo phân phối đều nước trên toàn diện tích. Nếu dùng giàn ống phân phối thì lỗ khoan trên ống có d=5-10mm. Cấu tạo hệ thống phân phối nước lên dàn mưa tương tự như hệ thống phân phối nước rửa lọc có trở lực lớn ở bể lọc nhanh. Cường độ phun mưa từ 10-15m3/m2-h. Các kích thước cấu tạo của máng phân phối lên giàn mưa có thể xem trên hình (5-7) Hình 5-7. Chi tiết cấu tạo máng phân phối nước giàn mưa 1 Nước vào máng 2 Máng chính 3 Máng phụ Răng cưa trên máng phụ Sàn tung nước: được đặt dưới máng phân phối với khoảng cách 0.6m. sàn tung được làm bằng ván gỗ, bằng sàn tre. Sàn làm bằng ván gỗ gồm các ván rộng 20cm đặt cách nhau 10cm.Sàn tre làm bằng nửa cây tre xếp cách nhau 5cm. Sàn đổ lớp vật liệu tiếp xúc: nằm phía dưới sàn tung nước. Bao gồm từ 1-4 sàn, bố trí cách nhau 0.8m, sàn đổ lớp vật liệu tiếp xúc có thể làm bằng tôn hay bê tông có xẻ khe hay độ đục lỗ. Tỉ lệ khe hoặc lỗ chiếm 30-40% diện tích sàn. Ngoài ra người ta còn dùng các thanh tre hoặc gỗ đặt cách nhau 2cm. Phía trên mỗi sàn đổ lớp vật liệu tiếp xúc dày từ 30-40cm. Lớp vật liệu tiếp xúc thường là cuội, sỏi, than cốc, than xỉ. lớp vật liệu này có chức năng chia nước thành những màng mỏng xung quanh vật liệu tiếp xúc để tăng khả năng tiếp xúc giữa nước và không khí. Hệ thống thu, thoát khí và ngăn nước Để có thể thu oxi của khí trời, kết hợp với việc đuổi khí CO2 ra khỏi giàn mưa, đồng thời đảm bảo nước không bắn ra ngoài, người ta thiết kế hệ thống cửa chớp. Các cửa chớp có thể làm bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gỗ. Góc nghiêng giữa cửa chớp với mặt phẳng nằm ngang là 45ͦ. Khoảng cách giữa 2 cửa chớp kế tiếp là 200mm với chiều rộng mỗi cửa là 200mm. Các 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. Sàn và ồng thu nước: Sàn thu nước được đặt ở dưới đáy giàn mưa, có độ dốc từ 0.02-0.05 về phía ống dẫn nước xuống bể lắng tiếp xúc. Sàn làm bằng bê tông cốt thép. Để thu được nhiều oxi của khí trời và đuổi được nhiều khí CO2 có trong nước, giàn mưa được thiết kế với hình dáng mỏng và kéo dài theo hướng vuông góc với lượng gió chính. Chiều rồng giàn mưa ≤4m Ngoài 5 bộ phận chính, giàn mưa còn được trang bị ống dẫn nước lên giàn mưa, ống dẫn nước xuống bể lắng tiếp xúc có lắp van, các vòi nước và ống cao su để thau rửa cặn sắt bám vào sàn tung, các ống thoát nước. Chu kì thau rửa giàn mưa tuỳ theo hàm lượng sắt của nước nguồn, thông thường mỗi tuần thau rửa 1 lần. Sơ đồ khử sắt bằng giàn mưa- lắng tiếp xúc- lọc có thể áp dụng cho các trạm xử lý có công suất bất kì, hàm lượng sắt của nước nguồn≤25mg/l. Nước sau làm thoáng phải đạt được các chỉ tiêu :pH≥6.8; độ kiềm ≥2mg ddl/l; H2S<0.2mg/l; NH4< 1mg/l. Bể lắng tiếp xúc: Có chức năng lưu nước lại trong bể từ 30-45 phút tạo điều kiện cho quá trình oxi hoá và thuỷ phân sắt diễn ra hoàn toàn, đồng thời giữ một phân bông cặn nặng trước khi đưa sang bể lọc . Chức năng chính của bể lắng tiếp xúc là để cho Fe2+ tiếp xúc với oxi của khí trời, nên còn gọi là bể tiếp xúc. Bể lắng tiếp xúc có cấu tạo như bể lắng đứng dùng để xử lý nước mặt có công suất trạm xử lý nhỏ hơn 30000m3/ngày đêm. Tuy nhiên ống trung tâm của bể lắng tiếp xúc nhỏ hơn, vì chỉ làm nhiệm vụ dẫn nước từ giàn mưa xuống với tốc độ tính toán từ 0.8-1.2 m/s. Chu kì xả cặn của bể kéo dài hơn so với bể lắng đứng làm trong nước mặt, có thể dao động từ 7-30 ngày. Khi công suất trạm xử lý nước ngầm lớn hơn 30000m3/ ngày đêm thì dùng bể lắng ngang tiếp xúc, Cấu tạo của bể lắng ngang tiếp xúc về cơ bản tương tự như bể lắng ngang làm trong nước nhưng khác với bể lắng ngang thông thường, người ta phải bố trí thêm các vác ngăn theo chiều dọc bể. Khoảng cách giữa các vách ngăn từ 2-4m. Trên các vách ngăn có bố trid các cửa sổ hướng dòng chảy theo chiều dích dắc lên xuống để tránh sóng và dễ lắng cặn. Diện tích cửa sổ thường lấy từ 30-50% diện tích vách ngăn. Mép dưới cửa sổ hướng dòng cao hơn lớp cặn tối thiểu là 0.5m. Chiều dày lớp cặn lấy tối thiểu 0.5m. Chiều cao vùng lắng lấy từ 1.5-3.5m, tốc độ nước dâng trong bể không lớn hơn 1mm/s Nguyên lý làm việc của hệ thống làm thoáng có tải trọng cao Là gió-nước cùng chiều. Nước và không khí đi từ trên xuống CO2 được giải phóng ra ngoài bằng của thoát khí. Để tăng cường độ hiệu quả làm thoáng các lớp giàn ống được xếp theo trật tự giàn trên vuông góc với giàn dưới. Tuỳ theo chất lượng nước thô, mà chiều cao của công trình số giàn ống, khoảng cách giữa các giàn ống, đường kính ống dùng làm giàn hệ thống làm thoáng có tải trọng cao được trình bày trên hình (5-9) Hình (5-9) sơ đồ hệ thống làm thoáng có tải trọng cao So với gian mưa thông thường, hệ thống làm thoáng có tải trọng cao có một số đặc tính sau: Hiệu quả khử CO2 đạt 70-80%. Hiệu quả thu nhận oxi đạt 70-85% giá trị bão hoà. Tải trọng làm việc bề mặt đạt tới 250m3/m2-h (tải trọng làm việc bề mặt của giàn mưa 5-10 m3/m2-h Có khả năng công xưởng hoá thiết bị, gon nhẹ, đơn giản Quản lý vận hành sạch, gọn nhẹ, kinh phí vận hành nhỏ hơn so với giàn mưa Thích hợp đối với công trình có công suất vừa và lớn Có thể dùng để làm thoáng trong dây chuyền khử sắt và mangan cho mọi nguồn nước Sơ đồ 3: Thùng quạt gió- lắng tiếp xúc -lọc Thùng quạt gió là công trình làm thoáng nhân tạo hay còn gọi là làm thoáng cưỡng bức Thùng được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép, tiêt diện hình trong hoặc vuông. Cấu tạo thùng quạt gió gồm các bộ phận như trên hình (5-10). Hệ thống phân phối nước: Có dạng hình xương cá giống như hệ thống phân phối trở lực lớn trong bể lọc. Các ống nhánh có khoan lỗ nghiêng 45ͦ ở phía dưới có d=10-20mm cường độ mưa lấy từ 40-50 m3/m2-h. Lớp vật liệu tiếp xúc : có thể là các ván gỗ rộng 200mm dày 10mm đặt cách nhau 50mm thành một lớp. lớp nọ xếp vuông góc với lớp kia và cách nhau bằng các sườn đỡ là các thanh gỗ tiết diện 50×50mm. Hoặc có thể dùng nửa cây tre, xếp lớp nọ vuông góc với lớp kia, mép các thân cách nhau 50mm. Ngoài ra có thể dùng các thanh bê tông hoặc thép có kích thước tương tự như gỗ. Để tăng hiệu quả tiếp xúc, người ta còn sử dụng các vòng rasiga có thể làm bằng sứ hoặc chất dẻo kích thước: d×1=25×25mm hoặc 40×40mm. Vật liệu tiếp xúc được đặt trên sàn bê tông có khe hở để thu nước xuống phía dưới Sàn thu nước có xi phông: Nước xuống sàn thu nước trước khi dẫn xuống bể lắng tiếp xúc phải qua xi phông. Mục đích không cho không khí của quạt gió vào ống dẫn nước xuoongs mà chỉ được đi từ dưới lên trên thùng quạt gió. Chiều cao ngăn thu nước lays phụ thuộc vào các loại ống bố trid và không được nhỏ hơn 0.5m Máy quạt gió: Có nhiệm vụ đưa không khí đi từ dưới lên ngược chiều với chiều rơi của nước. Lượng không khí cấp vào lấy bằng 10m3/1m3 nước. Áp lực cần thiết của quạt gió phải lớn hơn tổng tổn thất áp lực của luồng khí đi qua thùng quạt gió. Tổn thất áp lực qua lớp vật liệu tiếp xúc lấy bằng 30mm/1m chiều cao của thùng, tổn thất qua sàn phân phối lấy bằng 10mm, tổn thất cục bộ 15-20mm cột nước, tổn thất qua ống phân phối 15-20mm. Áp lực quạt gió sơ bộ có thẻ lấy 100-150mm Khi dùng thùng quạt gió, theo tiêu chuẩn ngành TCXD-33:1985 sẽ giải phóng được 85-90% lượng CO2 hoà tan trong nước, lượng oxi hoà tan lấy bằng 70% lượng bão hoà. Công trình làm thoáng cưỡng bức thường dùng cho các trạm xử lý có cồng suất vừa và lớn có hàm lượng sắt cao Sơ đồ 4: Ezecto thu khí hoặc máy nén khí- Bình trộn khí- lọc áp lực Sơ đồ 4 chỉ áp dụng cho những nguồn nước có hàm lượng sắt nhỏ hơn 12mg/l và độ pH ≥6.8. Dùng ezecto thu khí cho trường hợp công suất trạm xử lý nhỏ (đến 500m3/ngày), còn dùng máy nén khí cho trạm xử lý có công suất bất kì. Sơ đồ 4, chỉ áp dụng cho trường hợp cần thu oxi và không khử khí cacbonic. Sơ đồ khử sắt bằng thu, nén khí và lọc áp lực được thể hiện trên hình (5-11) và (5-12) Ezecto thu khí Là thiết bị thu khí tự nhiên. Có thể chế tạo bằng gang đúc, làm bằng thép hàn hay làm bằng chất dẻo. Cấu tạo của ezecto thu khí được giới thiệu trên hình (5-13) Nguyên tắc làm việc: Nước chuyển động với tốc độ lớn qua miệng thu hẹp, sẽ cuốn không khí theo góc côn thu hẹp của miệng phun vào ngăng trộn. Khi chế tạo ezecto cần lưu ý: đường trục của miệng phun thu hẹp, ngăn trộn và ngăn mở rộng phải thẳng hàng. Chiều dài ngăn trộn lấy bằng 6-8 lần đường kính của nó. Khoảng cách khe hở từ cuối miệng phun thu hẹp đến đầu ngăn trộn pấy bằng 0.7-0.9 đường kính miệng phun. Máy nén khí: Được chọn trên cơ sở lưu lượng khí cần cung cấp để khử sắt và áp lực khí nén cần thiết để đưa vào bể lọc. Lượng khí cần cấp xác định tương tự như trong phần tính toán ezecto thu khí Áp lực khí thường lấy bằng 0.5at, tức là 5m cột nước. Bình trộn khí: Thường được bố trí trên đường ổng dẫn nước vào bể lọc. Bình trộn có chức năng trộn đều khí và nước. Các bình trộn thường được chế tạo trong xưởng với kích thước phù hợp với các đường ống đẩy là d=50, 75, 100,125, 150mm. Cấu tạo bình trộn được thể hiện trên hình (5-14) Bể lọc áp lực: Cấu tạo bể lọc áp lực 2 lớp vật liệu lọc trong dây chuyền khử sắt cũng giống như bể lọc áp lực trong dây chuyền làm trong nước mặt. Lớp vật liệu phía trên là angtraxit d=1-2mm, l=0.5-0.6m. Lớp vật liệu phía dưới là cát thạch anh với d =0.5-1.2mm, /=0.4=0..5m. Ngoài ra người ta còn chế tạo bể lọc áp lực 2 ngăn. Ngăn trên là lọc phá, ngăn dưới là lọc trong. Ưu nhược điểm của phương pháp khử sắt bằng thu, nén khí và lọc áp lực Ưu: Hiệu quả ổn định, quản lý dễ dàng, di chuyển dễ, lắp đặt nhanh. Có khả năng công xưởng hoá. Công trình gọn nhẹ, chiếm ít diện tích, giá thành hạ. Nhược: Chi phí điện năng cao, hạn chế lượng CO2 thoát ra, dùng biện pháp làm thoáng tự nhiên bằng ezecto thu khí chỉ áp dụng được cho trạm có công suất nhỏ. Loại bỏ mangan Khử mangan bằng phương pháp làm thoáng Công nghệ khử mangan bằng phương pháp làm thoáng cũng bao gồm các công đoạn tương tự như khử sắt: làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc được phủ dần một lớp Mn(OH)4 tích điện âm, lớp mangan oxide này có tác dụng như chất xúc tác hấp thụ Mn2+ và oxy hóa chúng. Và cũng do quá trình oxy hóa mangan diễn ra chậm hơn sắt, nên trong bể lọc, lớp vật liệu lọc phải có bề dày 1.2-1.5 m. Trong nước ngầm thường có chứa cả sắt và mangan. Thông thường hàm lượng sắt trong nước cao, còn hàm lượng mangan nhỏ. Tuy nhiên nếu trong nước tồn tại lượng mangan lớn hơn giới hạn cho phép, nên làm thí nghiệm để xác định quy trình xử lý thích hợp. Căn cứ vào hàm lượng và dạng tồn tại của mangan trong nước ngầm, có thể chia thành 3 sơ đồ khử mangan bằng phương pháp làm thoáng như sau: Sơ đồ 1: làm thoáng tự nhiên hoặc làm thoáng cưỡng bức - lắng tiếp xúc - lọc một lớp vật liệu lọc. Sơ đồ này áp dụng khi hàm lượng mangan trong nước nhỏ và tồn tại dưới dạng Mn2+ hòa tan. Trong trường hợp này, bể lọc có thể dùng 1 lớp vật liệu lọc là cát thạch anh có bề dày 1.2 - 1.5 m. Sơ đồ 2: làm thoáng tự nhiên hoặc làm thoáng cưỡng bức - lắng tiếp xúc - lọc một hoặc 2 lớp vật liệu lọc. Khi hàm lượng sắt và mangan trong nước nguồn cao hơn, thì nên thiết kế bể lọc một lớp vật liệu lọc là cát đen dày 1.5 m hoặc thiết kế 2 lớp vật liệu lọc là than antraxit và cát với bề dày không nhỏ hơn 1.5 m. Sử dụng lớp vật liệu lọc như vậy thì sẽ nâng cao được hiệu quả khử mangan. Sơ đồ 3: làm thoáng cưỡng bức – lắng tiếp xúc – lọc 2 bậc. Khi hàm lượng sắt và mangan trong nước nguồn đều cao, hoặc khi sử dụng sơ đồ 2 không hiệu quả, thì nên sử dụng sơ đồ 3. Quá trình khử sắt ở bậc 1 gồm các khâu: làm thoáng – tiếp xúc - lọc. Sau đó xử lý nâng cao độ pH của nước lên 8. Nếu hàm lượng oxy còn lại trong nước không đủ để oxy hóa mangan thì phải làm thoáng lại, sau đó lọc nước qua bể lọc bậc 2. Sau đó mangan sẽ được khử. Sơ đồ 3 tuy có tốn kém, song đem lại hiệu quả xử lý ổn định và nước đảm bảo chất lượng. 3.2 Các phương pháp khử mangan khác: Phương pháp dùng hóa chất: sử dụng các chất oxy hóa mạnh như: chlorine, ozone, kali permanganate, để oxy hóa Mn2+ thành Mn4+. Mn(HCO3)2 + Ca(HCO3)2 + Cl2 à MnO2 + CaCl2 + 2H2O + 4CO2 Mn(HCO3)2 +2NaHCO3 + 2ClO2 à MnO2 + 2NaClO2 + 2H2O +4CO2 3Mn(HCO3)2 + 2KMnO4 à 5MnO2 + 2KHCO3 + 2H2O + 4CO2 Chlorine oxy hóa Mn2+ ở độ pH=7 trong 60-90 phút, chlorine dioxide và ozone oxy hóa Mn2+ ở pH=6.5-7 trong 10 - 15 phút. Để oxy hóa 1mg Mn2+ cần 1.35 mg ClO2 hay 1.45 mg O3. Nếu trong nước có các hợp chất hữu cơ thì lượng chlorine cho vào nước phải đủ để oxy hóa cả chất hữu cơ và cả mangan. Kali permanganate oxy hóa Mn2+ ở mọi dạng tồn tại, kể cả keo hữu cơ để tạo thành Mn(OH)4. Phương pháp sinh học Cấy một loại VSV có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trưởng lên bề mặt lớp vật liệu lọc. Xác VSV sẽ tạo thành lớp màng mangan oxide trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trình khử mangan. NITRATE Nguồn gốc nitrate: Nitrate (NO3-) được tạo thành tự nhiên từ nitơ trong lòng đất. Nitơ là một loại khí chiếm tới gần 80% bầu khí quyển và rất cần thiết cho sự sống. Rễ cây hấp thụ càng nhiều nitơ thì năng xuất của mùa màng càng cao. Quá trình hình thành nitrate là một giai đoạn không thể thiếu trong vòng tuần hoàn của nitơ trong tự nhiên. Cây cối hấp thụ nitrate trong đất để lấy dưỡng chất và có thể sẽ tạo một dư lượng nhỏ trong lá và quả. Do tính cơ động cao, nitrate dễ dàng thấm vào nguồn nước ngầm. Nitrate hình thành khi vi sinh vật chuyển hóa phân bón, phân hủy xác động thực vật. Nếu cây cối không kịp hấp thụ hết lượng nitrate này thì nước mưa và nước tưới sẽ làm cho nó ngấm vào lòng đất, làm ô nhiễm nguồn nước ngầm. Nhưng chính con người lại chính là thủ phạm tạo ra nguồn ô nhiễm nitrate lớn nhất thông qua các hoạt động nông nghiệp: Sử dụng phân bón hóa học hoặc hữu cơ Chăn nuôi Thải nước và rác không qua xử lí Hệ thống bể phốt tự hoại. Các chất nitrat gây ô nhiễm có nguồn gốc công nghiệp chủ yếu là từ các nhà máy cán thép, phân bón và các nhà máy sản xuất thuốc nổ, mỏ, nhà máy giấy, nhà máy sản xuất thực phẩm. Các ngành nông nghiệp, xử lý nước thải đô thị lọc nước ngầm, sản xuất nước uống cũng đều có nhu cầu sử dụng phương pháp khử nitrat. Ảnh hưởng của nitrate đến sức khỏe Thực phẩm và đồ uống chứa một hàm lượng nitrate thấp thì sẽ không có hại cho sức khỏe. Nếu con người và súc vật uống phải nước có nhiều nitrate sẽ dễ mắc các chứng bệnh về máu, đặc biệt là đối với trẻ nhỏ. Hàm lượng nitrate cao trong nước có thể gây ra các bệnh về hồng cầu, dễ thấy nhất là hội chứng xanh da ở trẻ nhỏ (blue baby syndrome). Dịch acid trong dạ dày trẻ nhỏ không đủ mạnh như người trưởng thành, do đó các loại khuẩn đường ruột dễ dàng chuyển hóa nitrate thành nitrite (NO2-). Tuyệt đối không cho trẻ nhỏ uống nước hoặc ăn các loại thực phẩm có lượng nitrate vượt quá 10 mg NO3-N/l (tiêu chuẩn nước uống của EPA). Theo quy chuẩn của Bộ Y tế số 1329 /2002/BYT/QÐ, tiêu chuẩn nitrate trong nước uống là 50 mg/L. Khi nitrite hấp thụ vào máu, các hemoglobin bị biến thành methemoglobin. Methemoglobin mất hoặc suy giảm chức năng vận chuyển oxygen, gây ra hiện tượng các tế bào nhất là ở não không đủ oxygen để hoạt động. Khác với người lớn, trong cơ thể trẻ em methemoglobin không thể chuyển hóa ngược thành hemoglobin. Khi não không đủ oxygen rất dễ dẫn đến tử vong. Một người trưởng thành khỏe mạnh có thể chịu được một lượng nitrate tương đối lớn mà không bị ảnh hưởng đến sức khỏe. Trên thực tế, phần lớn lượng nitrate xâm nhập cơ thể qua thực phẩm, cụ thể là các loại rau củ. Tuy nhiên, lượng nitrate này sẽ bị thải theo nước tiểu. Thế nhưng, nếu liên tục phải hấp thụ nitrate có thể sẽ dẫn đến mắc phải một số bệnh do sự hình thành Nitrosamines. N-nitrosamine là những tác nhân gây ung thư khi thí nghiệm trên động vật. Hiện chưa có các thí nghiệm trên cơ thể người để chứng tỏ nitrate có thể gây ung thư hay không. Nitrate là chất không màu, không mùi và không vị nên không thể nhận biết nếu không xét nghiệm bằng các phân tích hóa học. Nếu buộc phải dùng nước giếng để ăn uống thì nên đem mẫu nước đến các phòng thí nghiệm để xét nghiệm định kì hàng năm. Phương pháp xử lí nitrate Nitrate là một ion có khả năng ổn định và hòa tan cao nhưng ít bị kết tủa và hấp phụ. Những tính chất này làm cho chúng khó bị loại bỏ ra khỏi nước khi dùng các phương pháp xử lí như lọc hay hấp phụ bằng than hoạt tính. Kết quả cho thấy, kết hợp nhiều quá trình cần được xem xét. Rất nhiều quá trình xử lí được cải tiến để ứng dụng thực tiễn (Clifford and Liu, 1995; Kapoor and Viraraghavan, 1997; U.S. Eureau of Reclamation, 2001). Những quá trình thường bao gồm trao đổi ion, thẩm thấu ngược RO, và điện thẩm tách được sử dụng nhiều để xử lí nước uống. Những quá trình này loại nitrate bằng phương pháp vật lí hoặc hóa học. Phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng nhất. Trao đổi ion (Ion Exchange) Trong quá trình trao đổi ion, các ion nitrate liên kết với nhựa trao đổi ion, chúng đổi chỗ với ion chloride Cl-. Nhựa được chứa trong bình chịu áp suất và tái sinh định kì bằng dòng muối cô đặc. Bình làm mềm nước có chức năng tương tự, loại bỏ canxi và magie từ nước nhờ trao đổi với natri trong nhựa trao đổi. Số lần tái sinh phụ thuộc vào chất lượng nước thô. Các ion như sulfate có thể giành các vị trí trao đổi với nitrate. Quá trình trao đổi ion cũng phụ thuộc vào loại nhựa được sử dụng để xử lí nước. Bất kì loại nhựa nào sử dụng để xử lí nước phải được phê duyệt theo Tiêu chuẩn Quốc Gia Hoa Kì American National Standards Institute/National Sanitation Foundation (ANSI/NSF) đạt tiêu chuẩn nước uống. Vì số lần tái sinh thay đổi theo chất lượng nước thải thô và loại nhựa sử dụng, thử nghiệm (pilot testing) sẽ yêu cầu một hoặc một số loại nhựa ưu tiên để thiết kế hệ thống quy mô lớn. Nếu một cột nhựa trao đổi ion không tái sinh thường xuyên, nồng độ nitrate có thể tăng vọt lên mức cao hơn 10 mg/L, trở thành vấn đề sức khỏe cộng đồng. Bể nước muối Nhựa IX Nước thô Nước muối (Brine)/ Nước rửa (Rinse Water)/ Chất thải rửa ngược (Backwash Waste) Nước đã xử lí Nước rửa (Rinse Water)/ Điều chỉnh pH Rửa ngược (Backwash) Sơ đồ quá trình trao đổi ion Thiết bị xử lí trao đổi ion Vấn đề chất lượng nước Hiệu quả quá trình trao đổi ion sẽ phụ thuộc vào chất lượng nước thô. Trong một số trường hợp, ví dụ như nước chứa nồng độ sắt và mangan, độ đục và các chất ô nhiễm khác cao, cần phải có quá trình tiền xử lí để tránh tắc nghẽn cột và giảm hiệu quả xử lí. Nếu hỗn hợp của sắt, mangan và các kim loại khác vượt quá 0.1 mg/L, cần phải tiền xử lí (Health Education Services, 1997). Các ion khác như sulfate và chloride sẽ cạnh tranh các vị trí trao đổi trong nhựa với nitrate. Ngoài ra, nhựa trao đổi ion sẽ loại bỏ các ion bicarbonate hoặc carbonate đầu tiên sau khi tái sinh. Kết quả là pH của nước đầu ra sẽ biến động nếu không kiểm soát. Độ lớn của biến động pH này sẽ dựa vào chất lượng nước thô và nhựa sử dụng. Duy trì và giám sát Số lần tái sinh cột trao đổi thay đổi tùy chất lượng nước thô và nhựa trao đổi. Tái sinh đòi hỏi phải chuẩn bị và loại bỏ lượng lớn nước muối. Sự xuống cấp của nhựa qua quá trình đòi hỏi cần phải thay thế bằng nhựa khác sau một vài năm. Nước được xử lí nên được kiểm soát nitrate bằng cách sử dụng thiết bị giám sát và ghi lại liên tục, và máy báo động. Nếu thiết bị giám sát và ghi lại liên tục không có, nồng độ nitrate đầu ra cần phải được xác định hàng ngày, và ngay trước khi tái sinh cột (Health Education Services, 1997). Một bộ dụng cụ chuyên dụng có thể được sử dụng. Xử lí chất thải Quá trình trao đổi ion tạo dòng muối thải sau khi tái sinh cột. Trong phần lớn trường hợp, Bộ Sinh thái Washington State Department of Ecology yêu cầu Giấy phép Xả thải Nhà nước State Wastewater Discharge Permit đối với hệ thống nước công cộng sử dụng trao đổi ion để loại bỏ nitrate. Một số nghiên cứu được thực hiện để xử lí dòng cô đặc bằng phương pháp sinh học loại bỏ nitrate để dòng cô đặc có thể được sử dụng lại. Xử lí sinh học dòng thải hiện không được ghi trong tài liệu cho xử lí nước uống. Ưu điểm Hoạt động đơn giản; đáng tin cậy Tiền vốn đầu tư thấp Hiệu quả; phổ biến hơn các loại xử lí khác Phù hợp với quy mô nhỏ và quy mô lớn Nhược điểm Đòi hỏi kiểm soát lượng nitrate loại bỏ thường xuyên Đòi hỏi lưu giữ lượng muối lớn Nhựa dễ bị tắc nghẽn các chất hữu cơ Dễ bị bỏ đi khi nồng độ cao nitrate đầu ra cao Thay đổi pH đầu ra Xử lí dòng cô đặc khó khăn Màng lọc RO Thẩm thấu ngược (RO) là một quá trình vật lý mà ở đó chất gây ô nhiễm được lọai bỏ bởi việc sử dụng áp suất ép nước thô chảy qua 1 cái màng bán thấm. Tại áp suất thấp (<100 psi), chỉ 10 đến 20 % nước thô được sử dụng như nước cuối. Những hệ thống áp suất cao có thể đạt được hiệu suất nước lớn hơn 85%, nhưng bắt buộc dùng những bơm được thiết kế chuyên dụng và năng lượng lớn để đạt được mức hiệu suất này. Thẩm thấu ngược là một trong dạng đắt tiền nhất của xử lý tập trung và sẽ không được lựa chọn nếu không có các chất gây ô nhiễm phức tạp cần phải loại bỏ. Bể cân bằng Tiền lọc Màng lọc RO Chất chống đóng cặn Điều chỉnh pH/Alk Nước thô Nước đã xử lí Bơm cao áp Dòng cô đặc Biểu đồ hệ thống thẩm thấu ngược Tính chất nước Thẩm thấu ngược đòi hỏi sự xem xét cẩn thận về chất lượng nước thô và tiền xử lý tránh tắc ngẽn, đóng cặn hay làm giảm giá trị màng. Việc loại bỏ những chất rắn lơ lửng (SS) là cần thiết để tránh tắc nghẽn, trong khi loại bỏ chất rắn hòa tan DS tránh đóng cặn và làm giảm giá trị của màng. Tiền xử lý thường đạt được bởi việc cho nước qua hang loạt tấm lọc mịn từng cấp trước khi đến màng lọc thẩm thấu ngược. Nước được đưa xuyên qua hệ thống thẩm thấu ngược sẽ thường xuyên được kiểm tra độ pH và hiệu chỉnh các đặc tính khác của nước để cho ra nước cuối với mức ăn mòn thấp nhất cho hệ thống đường ống phân phối. Bệ chống trượt màng thẩm thấu ngược Bảo trì và giám sát Tần suất thay thế của màng và màng tiền lọc dựa vào các đặc tính của nước thô, tiền xử lý và bảo trì màng. Hóa chất làm sạch của màng với acid hoặc dung dịch chất ăn da nên thực hiện 1 cách định kỳ để loại bỏ lớp tích tụ và lớp cặn đóng vảy. Sau quá trình rửa liên tục màng, chúng được đưa thẳng vào với nước cuối và được trả lại để làm việc. Kiểm tra định kì nitrate nước cuối được quy định để bảo đảm rằng xử lí diễn ra đúng. Tốc độ xử lí và chênh lệch áp suất cần được theo dõi qua cả màng và màng tiền lọc đảm bảo hiệu quả màng, sự tắc nghẽn, và chất làm sạch cần thêm vào hoặc có cần thay thế màng hay không. Loại bỏ chất thải Dòng chất thải tiền xử lí, dòng cô đặc và cặn của quá trình lọc và các mảnh của màng cần phải loại bỏ tất cả. Ưu điểm Tạo nguồn nước chất lượng cao Áp suất thấp (<100 psi), thích hợp cho quy mô nhỏ Nhược điểm Lắp đặt và bảo trì tốn kém Loại bỏ dòng cô đặc và dòng thải tiền xử lí khó Màng dễ bị tắc Tiền xử lí làm phức tạp quá trình Yêu cầu kiểm tra và bảo trì thường xuyên Hiệu quả thấp khi sử dụng áp suất thấp (10-25%) Điện thẩm tách (Electrodialysis) Trong quá trình điện thẩm tách (ED), các ion di chuyển qua màng bán thấm chọn lọc ion nhờ vào bề mặt màng tích điện. Điện cực dương (cathode) và điện cực âm (anode) thường tích điện cho bề mặt màng và hút các ion trái dấu. Nhờ quá trình này, các ion như nitrate bị loại bỏ khỏi nước thải thô. Trong điện thẩm tách đảo chiều (EDR), điện tích trên màng đảo chiều liên tục để giảm tối thiểu tỉ lệ đóng cặn. Hội việc làm Hoa Kì American Water Works Association đã viết một hướng dẫn về cả ED và EDR (AWWA, 1995). Tiền lọc Buồng điện thẩm tách Chất chống đóng cặn Điều chỉnh pH Nước thải thô Nước đã được xử lí Dòng cô đặc Sơ đồ quá trình EDR Hệ thống thu nhỏ Điện thẩm tách đảo chiều Quá trình điện thẩm tách đảo chiều Điện thẩm tách là một quá trình chạy bằng điện sử dụng điện thế voltage để đưa các ion mang điện đi qua màng bán thấm, giảm lượng TDS trong nguồn nước. Quá trình sử dụng điện xoay chiều; những màng cation và anion bán thấm trong trường điện thế một chiều (DC). Nguồn nước chảy giữa màng cation và màng anion theo miếng đệm đặt giữa 2 màng. Đệm sử dụng tạo ra dòng chảy cho nước, trợ giúp màng, tạo dòng chảy rối. Điện thế một chiều DC gồm cation di chuyển về phía anode qua màng cation, và các anion di chuyển về phía cathode qua màng anion. Các cation và anion tích tụ ở phía dòng thải của màng và dòng nước có TDS thấp ở phía dòng pha loãng của màng. Hệ thống điện thẩm tách đảo chiều đảo cực trường dòng điện định kì, và đảo cả ngăn pha loãng và ngăn cô đặc, để giúp rửa sạch cặn hình thành khi ion bám trên màng và làm giảm chất rửa màng. Hiệu quả EDR trong loại bỏ Nitrate Những hệ thống xử lí này chứng minh sự đáng tin cậy qua 8 năm, loại bỏ nitrate từ 69% đến 92.6% và loại TDS từ 53% đến 88%. Dữ liệu được cho trong Bảng 1. Những hệ thống này gồm 2 đến 3 bước và không bao gồm những thấm đệm hiệu quả cao mới hơn. Bảng 1: Dữ liệu hệ thống EDR – Ứng dụng loại bỏ Nitrate Đối với nhiều ứng dụng loại bỏ nitrate, hiệu quả xử lí cao là cần thiết. EDR được chứng minh xử lí đến 94% qua hơn 10 năm đến nay tại hệ thống xử lí nước uống công suất 593 m3/h tại Suffolk, Virginia, USA. Mặc dù những hệ thống này chủ yếu loại bỏ TDS và Fluoride, nó chứng minh quá trình xử lí cao tại quy mô lớn qua một thời gian dài. Chất lượng nước EDR thường đòi hỏi tiền xử lí ít hơn các quá trình màng khác. Chỉ có một quá trình tiền xử lí trong hệ thống nước ngầm là tiền lọc với đầu lọc 10μm để loại bỏ chất rắn. Nếu lượng sắt lớn hơn 0.3 mg/L hoặc lượng mangan lớn hơn 0.1 mg/L cần phải tiến hành quá trình tiền xử lí để loại bỏ sắt và mangan. Hydrogen sulfide H2S có thể chịu được là tới 0.3 mg/L và độ đục có thể chịu được lên tới 2 NTU. Đối với phần lớn nước ngầm, độ đục thường là do sự hiện diện của sắt và mangan, nên loại bỏ những khoáng này sẽ loại bỏ được độ đục. Kết tủa chất rắn trên bề mặt màng có thể là một mối quan tâm đối với quá trình. Khi nước chảy qua thiết bị, các khoáng bị loại bỏ và cô đặc trong dòng nước mặn (brine stream), có thể tích tụ cặn trong thiết bị. Khả năng hình thành cặn tăng khi nước chứa tổng chất rắn hòa tan TDS cao và khi quá trình được tiến hành tại tốc độ xử lí nước cao. Màng ED có thể làm sạch tại chỗ bằng cách sử dụng môi trường acid pha loãng để phục hồi hiệu quả của hệ thống. Bảo dưỡng Quá trình có xu hướng tự động hoàn toàn, nhưng điều khiển hàng ngày áp suất khác nhau và các thông số quá trình khác cũng được điều khiển. Rửa bằng hóa chất các chất rắn tích tụ được thực hiện ít nhất một tuần một lần. Các sản phẩm phụ từ quá trình gồm một lượng nhỏ khí H2 hình thành từ cathode và O2, Cl2 từ anode. Những khí này nên được cho thoát ra khỏi hệ thống để đảm bảo an toàn khi các khí này tích tụ. Ưu điểm Có thể hoạt động không bị tắc nghẽn, đóng cặn, không phải thêm hóa chất. Yêu cầu áp suất thấp Đơn giản hơn RO Màng có tuổi thọ cao. Nhược điểm Tiền xử lí khi nồng độ Fe, Mn, H2S, Cl2, độ cứng cao Dòng cô đặc cần được loại bỏ đặc biệt Thiết bị điện thẩm tách Một số phương pháp khác Các nhà khoa học tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL) của Mỹ đã đưa ra một quy trình đơn giản biến nitrat trong nước thải thành khí nitơ N2. Quy trình hóa học biến nitrat thành khí nitơ của LANL hiện đang được thử nghiệm cho kết quả khả quan. Theo quy trình công nghệ này, nước thải chứa nitrat được đưa vào thiết bị phản ứng hóa học đơn giản tiếp xúc của hai hóa chất rẻ tiền là axit sunfamic và kẽm, nitrat bị khử thành khí nitơ theo phản ứng sau: NO3- + Zn + H+ + H2NSO3H à N2 + SO42- + Zn2+ + 2H2O Ion Zn2+ được tạo ra và sau đó bị khử điện hóa tại buồng điện phân sẽ trở thành kẽm kim loại. Vai trò của Zn tại đây được coi như là chất trung gian hoặc chất xúc tác. Sau khi thử nghiệm thành công, một cơ sở đặt tại các nhà máy xử lý nước thải hạt nhân của LANL đã được đưa vào sử dụng. Kể từ tháng 3/1999, cơ sở này đã xử lý nước thải phóng xạ có chứa nitrat. ở đây người ta có thể dùng thiết bị quy mô khá nhỏ để xử lý một lượng nước thải lớn với nồng độ nitrat cao : hàm lượng nitrat đầu vào từ 17 - 85g/l còn hàm lượng nitrat sau khi xử lý ở mức trung bình 13 mg/l (3 mg/l nitơ) do vậy rất dễ đạt tiêu chuẩn nitrat của nước ngầm (44mg/l) do Uỷ ban Kiểm tra chất lượng nước của Bang New Mexico đề ra. Quy trình xử lý này hoạt động hết sức hiệu quả, xử lý được nước thải có nồng độ muối cao hay với các nồng độ nitrat rất khác nhau tại những nhiệt độ và độ pH khác nhau. Bột kẽm có thể được thu hồi và tái sử dụng. Các thiết bị công nghệ là loại rẻ tiền: thùng chứa có thể làm bằng PE tỷ trọng cao, buồng điện phân bằng PVC. Quy trình hoạt động có hiệu quả với nồng độ nitrat từ hàng chục gam/lit đến vài ppm. XỬ LÍ CHẤT HỮU CƠ TỔNG HỢP Hợp chất hữu cơ tổng hợp (SOC) bao gồm thuốc trừ sâu, polycyclic aromatic hydrocarbons, và polychlorinated biphenyl. Một số SOCs là các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Trong xử lý nước, chúng được phân loại thành ba nhóm lớn: Những hợp chất được tìm thấy trong các sản phẩm dầu khí (ví dụ, benzen, toluene, xylene). Hợp chất halogenua được sử dụng làm dung môi, chất tẩy nhờn, và các hợp chất trung gian (ví dụ, tetrachlorethylene và methylene chloride). Các sản phẩm khử trùng như trihalomethanes. Những hợp chất này vào nước từ chất thải công nghiệp, thùng nhiên liệu bị rò rỉ, và tại các khu xử lý chất thải không kiểm soát được. Có nhiều biện pháp xử lí các hợp chất hữu cơ tổng hợp. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ xử lý bằng cách sử dụng than hoạt tính dạng hạt (GAC) được xem là công nghệ tốt nhất. Quá trình hấp phụ Trong xử lí nước hấp phụ là quá trình loại bỏ các tạp chất trong nước bằng cách cho chúng hút bám lên một bề mặt chất hấp phụ pha rắn, lỏng khác. Phổ biến nhất là sử dụng chất hấp phụ rắn. Chất hấp phụ có thể sử dụng là chất hấp phụ vô cơ ( alumina, silicagel, đất sét…) hoặc chất hấp phụ hữu cơ ( than hoạt tính, polymer hữu cơ, nhựa tổng hợp…). Có 2 cơ chế hấp phụ: Hấp phụ vật lý: chất bị hấp phụ bị hút bám vào bề mặt chất hấp phụ nhờ các lực. Cấu trúc chất hấp phụ không bị biến đổi, chất hấp phụ có tính chọn lọc không cao, hấp phụ đa lớp, thuận nghịch. Các lực liên kết: + Lực tĩnh điện. + Lực điện động. + Lực liên kết phân tử Van Der Waals. Hấp phụ hóa học: chất bị hấp phụ tham gia liên kết hóa học với chất hấp phụ, cấu trúc chất hấp phụ bị biến đổi, hấp phụ đơn lớp không có tính thuận nghịch. Các lực liên kết: + Liên kết cộng hóa trị. + Liên kết Hydro. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ: Nhiệt độ. Nồng độ chất bị hấp phụ. Diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ. Than hoạt tính Cấu trúc hạt: hạt than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng rất lớn (1g có tổng diện tích khoảng 1000m2) nhờ cấu trúc khe rỗng. Phân loại: Dạng bột cám (Powered - PAC): đây là loại được chế tạo theo công nghệ cũ, nay thường được sử dụng trong sản xuất pin, ac-quy. Có một số nhà sản xuất dùng loại này trộn với keo để đúc thành những ống than nhìn giống như dạng thứ 3 dưới đây. Dạng hạt (Granulated - GAC): là những hạt than nhỏ, rẻ tiền, thích hợp cho việc khử mùi. Tuy nhiên, nước thường có xu hướng chảy xuyên qua những khoảng trống giữa những hạt than thay vì phải chui qua những lỗ nhỏ. Dạng khối đặc (Extruded Solid Block – SB): là loại hiệu quả nhất để lọc cặn, khuẩn Coliform, chì, độc tố, khử mầu và khử mùi clorine. Loại này được làm từ nguyên một thỏi than, được ép định dạng dưới áp xuất tới 800 tấn nên rất chắc chắn. Hình thành: than hoạt tính được hình thành nhờ 2 quá trình: Nhiệt phân nguyên liệu chứa carbon ở nhiệt độ 700oC trong điều kiện thiếu oxy à thu được than carbon. Hoạt hóa carbon bằng hơi nước hay khí CO2 ở nhiệt độ 800-900oC à tạo được cấu trúc rỗng của hạt carbon. Đặc tính của than: Tính hấp phụ: Có phổ hấp phụ rộng: có khả năng hấp phụ phần lớn các phân tử chất hữu cơ. Có ái lực hấp phụ lơn đối với các phân tử chất hữu cơ không phân cực hoặc phân cực nhẹ, các chất hữu cơ gây mùi và vị cho nước, các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn. Có ái lực hấp phụ yếu đối với các phân tử hữu cơ phân cực mạnh và có cấu trúc mạch thẳng. Cơ chế hấp phụ của than hoạt tính: Bước 1: Các chất hấp thụ bên ngoài của các hạt carbon Bước 2: Các chất di chuyển vào các lỗ rỗng carbon Bước 3: Các chất bị hấp phụ vào các bức tường bên trong của carbon Xử lí chất hữu cơ nhờ than hoạt tính: Than hoạt tính sử dụng dạng bột hoặc dạng hạt (PAC). Than hoạt tính có thể xử lí phần lớn các hợp chất hữu cơ hòa tan trong nước ( chất hữu cơ do các ngành công nghiệp dệt nhuôm, chất hữu cơ dễ bay hơi, chất hữu cơ gây mùi và màu cho nước…) Do than hoạt tính rất mịn nên phải sử dụng thêm các chất trợ lắng polyelectrolyte. Bột than hoạt tính còn được cho vào bể aerotank để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan trong nước thải. Than hoạt tính sau khi sử dụng thường được tái sinh để xử dụng lại, phương pháp hữu hiệu để tái sinh bột than hoạt tính chưa được tìm ra, còn đối với than hoạt tính dạng hạt người ta tái sinh trong lò đốt để oxy hóa các chất hữu cơ bám trên bề mặt của chúng. Thiết bị hấp phụ gián đoạn: Quạt gió 2. Thiết bị lọc không khí 3.Đồng hồ lưu lượng 4.Thấp ẩm chưa không khí 5. Thiết bị chứa nguyên liệu 6.Thiết bị hấp phụ Thiết bị hấp phụ liên lục: Đặc tính thiết bị lọc than hoạt tính: 1, Hiệu quả lọc hút tốt, chiểm ít diện tích 2, Sử dụng đơn giản, thuận tiện. 3, Tuổi thọ nguyên liệu lọc lâu dài, dùng thuận tiện. 4, có khả năng tái dụng than hoạt tính