nghiên cứu, thiết kế mô hình xử lý nước dưới đất nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

Với mong muốn loại bỏ sắt trong nước dưới đất một cách hiệu quả, đơn giản, phù hợp với điều kiện của các hộ dân vùng nông thôn, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình xử lý nước giếng kho

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH

XỬ LÝ NƯỚC DƯỚI ĐẤT NHIỄM SẮT

BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ ĐIỆN HÓA

SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Cán bộ hướng dẫn: Thầy Lê Hoàng Việt Sinh viên thực hiện:

Trần Quốc Trạng

MSSV : 1080834

Lớp: Kỹ thuật môi trường – k34

Cần Thơ, 5/2012

Trong suốt quá trình làm luận văn, em gặp khó khăn về nhiều mặt Tuy nhiên, với sự ủng hộ về mặt tinh thần của cha mẹ và giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô, bạn bè mọi khó khăn đã sớm được khắc phục và luận văn đã được hoàn thành đúng tiến độ Con xin ghi nhớ và gửi lòng biết ơn đến Ba Mẹ và những người thân trong gia đình đã dành mọi tình cảm thương yêu, đã khuyến khích và động viên con trong suốt thời gian học cũng như thời gian thực hiện đề tài này

Em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Việt đã tận tâm hướng dẫn, chỉ bảo và truyền đạt những kinh nghiệm quý báo cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong phòng thí nghiệm đã không ngại khó khăn hướng dẫn cụ thể và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô bộ môn Kỹ Thuật Môi Trường – Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên cũng như quý Thầy Cô Khoa Môi Trường

và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện cho em thực hiện đề tài này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn thân ái nhất đến các bạn lớp Kỹ Thuật Môi Trường K34 đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian làm luận văn Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức của bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô và các bạn để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Hiện tượng nước dưới đất nhiễm sắt ngày nay đã trở thành vấn nạn cần được quan tâm ở những vùng nông thôn Trên thực tế, có rất nhiều biện pháp xử lý nước dưới đất nhiễm sắt có hiệu quả cao như: công nghệ trao đổi ion, lọc qua lớp vật liệu đặc biệt, khử sắt bằng hóa chất… Tuy nhiên, các công nghệ này đòi hỏi chi phí và

kỹ thuật khá cao, do đó rất khó tiếp cận với những vùng nông thôn nghèo Vì vậy, việc đề xuất công nghệ xử lý sao cho phù hợp với từng điều kiện cụ thể là một vấn

đề khó khăn, phức tạp

Với mong muốn loại bỏ sắt trong nước dưới đất một cách hiệu quả, đơn giản,

phù hợp với điều kiện của các hộ dân vùng nông thôn, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế

mô hình xử lý nước giếng khoan nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa

sử dụng nguồn năng lượng mặt trời” đã được thực hiện

Để tiến hành thí nghiệm thiết kế hệ thống xử lý, nguồn nước đầu vào được sử dụng là nước dưới đất pha với hóa chất sắt (II) để tạo thành nước dưới đất nhiễm sắt với nồng độ ≈2mg/l-nồng độ phổ biến ở vùng nông thôn đồng bằng sông Cửu Long Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài, hệ thống xử lý đã được hoàn thành với kết quả như sau:

- Sử dụng thùng nhựa composite thể tích 120lít làm thùng điện phân và lắng nước

- Cột lọc bằng nhựa PVC có đường kính 0,14m và chiều cao 0,8m với các lớp vật liệu lọc gồm: 0,3m cát lọc, 0,1m than hoạt tính, 0,1m sỏi

- Hệ thống keo tụ điện hóa với: hiệu điện thế 13V, cường độ dòng điện 7,5A, điện cực nhôm với diện tích S = 180 cm2, khoảng cách giữa hai điện cực là 1cm, thời gian keo tụ điện hóa 15 phút, thời gian lắng 30 phút, vận tốc lọc v = 3,25

m3/m2.h thì nước sau xử lý có nồng độ sắt và nồng độ các chỉ tiêu theo dõi đạt QCVN 01 – 2009/BYT về nước ăn uống

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH BẢNG v

DANH SÁCH HÌNH vi

DANH SÁCH PHỤ LỤC vii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về nước dưới đất (nước ngầm) 3

2.1.1 Nước dưới đất và sự hình thành 3

2.1.2 Các loại nước dưới đất 4

2.1.3 Trữ lượng, vai trò của nước dưới đất trong đời sống và kinh tế xã hội 4

2.1.3.1 Trữ lượng 4

2.1.3.2 Vai trò 4

2.1.3.3 Nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam 6

2.1.3.4 Nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Đồng bằng sông Cửu Long 6

2.1.3.5 Chất lượng nước dưới đất 6

2.1.4 Các nguồn gây ảnh hưởng đến chất lượng nước dưới đất 7

2.1.5 Ảnh hưởng của chất lượng nước dưới đất đến sinh hoạt, sản xuất và sức khỏe của con người 8

2.2 Một số vấn đề về cấp nước và sử dụng nước 9

2.3 Giới thiệu sơ lược về sắt trong nước dưới đất 10

2.3.1 Vai trò và nguồn gốc của sắt 10

2.3.2 Những dấu hiệu cơ bản nhận biết nước nhiễm sắt 11

2.4.1 Phương pháp phân tích xác định nồng độ sắt trong nước 11

2.4.2 Một số phương pháp xử lý sắt trong nước hiện nay 11

2.4.2.1 Phương pháp oxy hóa sắt 11

2.4.2.2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hóa 12

2.4.2.3 Khử sắt bằng hóa chất 12

2.4.2.4 Một số biện pháp khác 13

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 16

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện 16

3.2 Đối tượng thí nghiệm 16

3.3 Các bước tiến hành thí nghiệm 16

3.4 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 22

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24

4.1 Xác định công suất thiết bị 24

4.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 24

4.3 Lựa chọn vật liệu 24

4.4 Tính toán lại 25

4.5 Thí nghiệm 1: Xác định khoảng cách hai điện cực 32

4.6 Thí nghiệm 2: Xác định diện tích bảng điện cực thích hợp 35

4.7 Thí nghiệm 3: Xác định thời gian keo tụ điện hóa thích hợp để khử sắt 38

4.8 Tính toán giá thành hệ thống 48

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Đề xuất 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

PHỤ LỤC 54

Bảng 3.1 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 22

Bảng 4.1 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích trong mẫu nước sau khi keo tụ điện hóa với các khoảng cách điện cực 32

Bảng 4.2 Điện năng tiêu thụ và khối lượng điện cực sau điện phân 34

Bảng 4.3 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích các mẫu nước sau khi keo tụ điện hóa với các diện tích bảng điện cực 36

Bảng 4.4 Điện năng tiêu thụ và khối lượng điện cực sau điện phân 37

Bảng 4.5 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích trong nước sau keo tụ điện hóa với thời gian keo tụ điện hóa 10phút 40

Bảng 4.6 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích trong nước sau keo tụ điện hóa với thời gian keo tụ điện hóa 15phút 41

Bảng 4.7 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích trong nước sau keo tụ điện hóa với thời gian keo tụ điện hóa 20phút 42

Bảng 4.8 Nồng độ các chỉ tiêu phân tích trong nước sau keo tụ điện hóa với thời gian keo tụ điện hóa 25phút 43

Bảng 4.9 Điện năng tiêu thụ và khối lượng điện cực sau điện phân 44

Bảng 4.10 Giá thành các vật liệu phục vụ cho quá trình gia công mô hình 49

Bảng 4.11 Một số đường kính cột lọc ứng với lưu lượng cần xử lý 50

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thiết kế hệ thống xử lý nước dưới đất nhiễm sắt 16

Hình 3.2 Quy trình xử lý nước dưới đất nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện 18

Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo và bố trí hệ thống xử lý 27

Hình 4.2 Cấu tạo cột lọc và các lớp vật liệu lọc 28

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống thu nước và điện cực bên trong bể điện phân 29

Hình 4.4 Sơ đồ phân bố điện cực trong bể điện phân 30

Hình 4.5 Hệ thống xử lý nước nhiễm sắt ứng dụng năng lượng mặt trời 31

Hình 4.6 Hiệu suất chuyển Fe2+ thành Fe3+ theo khoảng cách hai điện cực 34

Hình 4.7 Hiệu suất chuyển Fe2+ sang Fe3+ theo diện tích bảng điện cực 38

Hình 4.8 Lượng khí sinh ra làm các bông keo tụ nổi lên 39

Hình 4.9 Sự biến thiên hàm lượng Fe tổng theo thời gian điện phân 45

Hình 4.10 Hiệu suất xử lý Fe tổng theo thời gian điện phân 45

Hình 4.11 Nước dưới đất đã điện phân trước và sau lọc 47

Hình 4.12 Ăcquy sau khi cung cấp điện năng để điện phân được sử dụng để chiếu sáng 48

PHỤ LỤC 1: QCVN 01:2009/BYT QUY CHUẨN KỸ THUẬT QUỐC GIA VỀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC ĂN UỐNG 54 PHỤ LỤC 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TỔNG 57 PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ANOVA 59 PHỤ LỤC 4: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 61

ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long

QCVN 01 – 2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc Gia về chất lượng

nước ăn uống

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UNICEF United Nations International Children’s

Emergency Fund: Quỹ nhi đồng Liên Hiệp Quốc

Giới

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Nước là nguồn gốc của sự sống, cần thiết không những đối với con người, động vật mà còn đối với thực vật Ngày nay, nước được thừa nhận như một nguồn tài nguyên chiến lược của mỗi quốc gia, và đó là một trong các nguồn tài nguyên chủ chốt nhất của Trái Đất, bảo đảm sự an toàn thực phẩm, duy trì sự cân bằng của các hệ sinh thái, và đảm bảo sự hoạt động của con người trong một thế giới đầy những biến động nhanh chóng về địa lý, xã hội và môi trường (Nguyễn Hữu Phú, 2001)

Theo các số liệu gần đây, lượng nước ngọt có thể sử dụng được trên hành tinh chúng ta chỉ chiếm 0,26% lượng nước toàn thể, hoặc có khoảng 50.000

km3/năm trong đó chỉ 1/3 là có khả năng sử dụng vào việc sản xuất nước sạch Xét trong phạm vi toàn cầu, tình trạng cung cấp nước sạch trong những năm gần đây là không đáp ứng: cứ 5 người thì có 1 người thiếu nước uống, cứ 2 người thì có 1 người không được sử dụng hệ thống nước được xử lý hợp vệ sinh và 5 triệu người chết hàng năm vì dùng nước bị ô nhiễm Ngày nay, với sự phát triển công nghiệp,

đô thị và sự bùng nổ dân số đã làm cho nguồn nước tự nhiên bị hao kiệt và ô nhiễm dần Vì thế, con người phải biết xử lý các nguồn nước cấp để có được đủ số lượng

và đảm bảo đạt chất lượng cho mọi nhu cầu sinh hoạt và sản xuất cho chính mình (Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006)

Một trong những nhiệm vụ trọng điểm của việc khai thác nước là tìm các nguồn nước để xử lý và cung cấp nước sạch đảm bảo đầy đủ về số lượng và chất lượng đảm bảo cho người dân sử dụng Để cung cấp nước sạch, có thể khai thác từ các nguồn nước thiên nhiên là nước mặt, nước biển và nước dưới đất (Trịnh Xuân Lai, 2003)

Nước dưới đất được ưu tiên khi chọn nguồn nước khai thác, vì nước dưới đất

có những ưu điểm như: nhiệt độ ổn định, vi khuẩn đã được lọc tự nhiên dưới lòng đất, trong sạch và thành phần hóa học tốt (Ngô Xuân Trường, et al., 2004)

Nước dưới đất là một bộ phận quan trọng của tài nguyên nước của Việt Nam

Từ lâu đời nước dưới đất đã được sử dụng cho các mục đích sinh hoạt và các hoạt động kinh tế khác (Tăng Văn Đoàn – Trần Đức Hạ, 2006)

Đất nước ngày càng phát triển, đời sống người dân cũng ngày được nâng cao Song song đó, nhu cầu sử dụng nước sạch trong ăn uống cũng như sinh hoạt

được đòi hỏi khắc khe hơn để bảo vệ sức khỏe cho mọi người Hầu hết nước dưới đất được các hộ dân bơm lên và sử dụng trực tiếp mà không qua bất kì một biện pháp xử lý nào Theo báo cáo điều tra vệ sinh môi trường nông thôn toàn quốc năm

2006 thì nguồn nước giếng khoan chiếm tỷ lệ cao nhất trong cơ cấu nguồn nước ăn uống sinh hoạt chính ở nông thôn Việt Nam là 33,1% (Viện Tư Vấn Phát Triển - CODE) Theo kết quả điều tra của chi cục Thủy Lợi Sở Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn (2002), ở tỉnh Cần Thơ hiện có 54.250 giếng nước ngầm Trong đó có 2.123 giếng hư hỏng không sử dụng Độ sâu các giếng từ 70 – 120m, khai thác chủ yếu là tầng chứa nước Pleistoxen (tầng chứa nước với trữ lượng cao) Theo điều tra của Viện Y học lao động và vệ sinh môi trường thì chất lượng nước giếng khoan ở một số tỉnh được Bộ Y tế công bố tại hội thảo về xử lý nước tại hộ gia đình vừa tổ chức ở Hà Nội, cho thấy số lượng giếng nước bị ô nhiễm sắt là rất cao Đặc biệt ở đồng bằng Sông Cửu Long, người dân nơi đây nhiều năm nay phải tiếp xúc trực tiếp với nguồn nước này Nước nhiễm sắt đã gây nhiều bất tiện trong sinh hoạt của người dân như làm vàng ố tất cả các vật chứa đựng nước và cả quần áo, nguy hại hơn nếu dùng nước này lâu ngày sẽ ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người

Trước tình hình hiện nay, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình xử lý nước giếng

khoan nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa sử dụng nguồn năng lượng mặt trời” được thiết kế với mong muốn sẽ góp phần nhỏ vào công tác cung cấp

nước sạch cho người dân vùng nông thôn

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về nước dưới đất (nước ngầm)

2.1.1 Nước dưới đất và sự hình thành

Nước mưa, nước mặt và hơi nước trong không khí ngưng tụ lại và thẩm thấu vào lòng đất tạo thành nước dưới đất Nước dưới đất được giữ lại hoặc chuyển động trong các lỗ rỗng hay khe nứt của các tầng đất đá tạo nên tầng ngậm nước (Nguyễn Lan Phương, 2008)

Nước dưới đất được chứa trong các lỗ rổng trong lòng đất do cấu tạo của tầng chứa nước là các phần tử cát, cuội, sỏi,….có cở hạt và thành phần khoáng chất khác nhau

Nguồn bổ cập cho nước dưới đất là nước mưa, nước từ hồ, ao, sông ngòi thấm qua các lớp đất và được giữ lại ở tầng chứa nước

Theo Lê Dung (2003) nước dưới đất có 5 trạng thái tồn tại:

- Ở thể khí: nước dưới đất cùng với không khí nằm trong các lỗ rỗng của đất

- Nước mao dẫn: chứa đầy trong các lỗ rỗng nhỏ của đất, chịu tác dụng của sức căng mặt ngoài và trọng lực Nước mao dẫn có thể di chuyển trong đất và có thể truyền được áp suất Vùng nước mao dẫn nằm trên mực nước trọng lực

- Nước trọng lực hay nước thấm: chứa đầy trong các lỗ rỗng của đất, chuyển động dưới tác dụng của trọng lực và có thể truyền được áp suất

Trong các dạng tồn tại của nước dưới đất chỉ có nước thấm là có trữ lượng đáng kể và có khả năng khai thác được

Nước dưới đất là nguồn cung cấp nước chính cho rất nhiều cộng đồng, đặc biệt

ở nhiều nơi do điều kiện kinh tế khó khăn, người dân đành phải sử dụng trực tiếp

mà không qua bất kỳ một biện pháp xử lý nào (Lâm Minh Triết – Lê Hoàng Việt, 2009)

2.1.2 Các loại nước dưới đất

Nước dưới đất trong các tầng đất không nằm yên một chỗ mà di chuyển từ chỗ cao sang chỗ thấp tạo thành dòng chảy ngầm Tùy theo cấu tạo của mỗi tầng đất mà chất lượng nước ở mỗi tầng khác nhau là nhiều hay ít Trong đất cát hay cát pha sỏi,

đá cuội, kẽ hở giữa chúng tương đối rộng nên lượng nước chứa nhiều, đó là tầng thấm nước Đất sét gồm những hạt nhỏ gắn chặt với nhau nên lượng nước chứa không đáng kể gọi là tầng không thấm

Theo vị trí, nước dưới đất được phân loại thành nước dưới đất nông, nước dưới đất trong tầng thổ nhưỡng (tầng đất canh tác), nước dưới đất sâu – trong các tầng chứa nước

Nước tầng nông là nước mạch, tính từ mặt đất trở xuống không quá 10m Trữ lượng nước nhiều hay ít và chất lượng nước tốt hay xấu là tùy thuộc vào điều kiện

tự nhiên của từng vùng Ngoài ra, nước tầng nông còn có thể bị nhiễm bẩn do các chất thải trên mặt đất ngấm vào tầng chứa nước như các chất thải công nghiệp, chất thải sinh hoạt

Nước tầng sâu nằm sâu dưới đất từ 20m trở xuống, trữ lượng nước ổn định quanh năm, chất lượng nước tốt và ít thay đổi Nhưng muốn sử dụng phải khoan sâu

và dùng bơm tay hay bơm máy để hút nước lên khỏi mặt đất (Nguyễn Võ Châu Ngân, 2000)

2.1.3 Trữ lượng, vai trò của nước dưới đất trong đời sống và kinh tế xã hội

2.1.3.1 Trữ lượng

Hơn 70% diện tích của Trái Đất được bao phủ bởi nước Thủy quyển có tổng lượng nước khoảng 1,386x106 km3, trong đó nước ngọt chỉ chiếm khoảng 3% Nhưng trong tổng số 3% nước ngọt thì lại có khoảng 68,7% tồn tại dưới dạng băng tuyết đóng ở hai cực và trên các ngọn núi, nước ngầm chiếm 30,1%, nước mặt ngọt chỉ chiếm một phần rất nhỏ 0,3%, các nguồn nước ngọt khác chiếm 0,9% Như vậy, nước dưới đất là nguồn cung cấp nước ngọt chủ yếu cho nhu cầu sinh hoạt của con người [2]

2.1.3.2 Vai trò

Nước luôn luôn giữ một vai trò mang tính sống còn trong lịch sử phát triển của loài người và sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia Trong thời đại hiện nay

do sự bùng nổ về dân số, do các ngành kinh tế của các nước thi nhau phát triển như

vũ bảo, chất lượng cuộc sống ngày càng được nâng cao, vì thế nhu cầu sử dụng nước ngày một lớn, các nguồn nước được khai thác và sử dụng ngày càng nhiều Nhìn chung trên Trái Đất có 3 nguồn chính: nước mưa, nước mặt và nước dưới đất (Phạm Ngọc Hải – Phạm Việt Hòa, 2004)

Cũng như không khí và ánh sáng, nước không thể thiếu được trong đời sống con người Nước cần cho sự sống của người cũng như mọi sinh vật Con người cần nước để ăn uống, tắm giặt, sản xuất, trồng trọt, chăn nuôi Những vùng có nước thuận lợi thì sản xuất phát triển dễ hơn, còn nếu thiếu nước, những vùng nhiều tháng không có mưa thì đất khô cằn, hạn hán gây ra mất mùa nạn đói (Phạm Ngọc Quế, 2004) Trong quá trình hình thành sự sống trên Trái Đất thì nước và môi trường nước đóng vai trò quan trọng Nước tham gia vào vai trò tái sinh thế giới hữu cơ (tham gia quá trình quang hợp) Trong quá trình trao đổi chất nước đóng vai trò trung tâm Những phản ứng lý hóa học diễn ra với sự tham gia bắt buộc của nước

Nước là dung môi của nhiều chất và đóng vai trò dẫn đường cho các muối đi vào cơ thể

Trong khu dân cư, nước phục vụ cho mục đích sinh hoạt, nâng cao đời sống tinh thần cho dân (một ngôi nhà hiện đại không có nước khác nào một cơ thể không

có máu)

Nước đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sản xuất công nghiệp Đối với cây trồng nước là nhu cầu thiết yếu, đồng thời còn có vai trò điều tiết các chế độ nhiệt, ánh sáng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, độ thoáng khí trong đất…(Lê Quốc Tuấn, 2009) Hơn thế, sử dụng nước dưới đất giúp con người giải phóng sức lao động do phải lấy nước xa nhà, tiết kiệm chi phí, tiết kiệm thời gian nâng cao hiệu quả sản xuất (Phạm Ngọc Hải – Phạm Việt Hòa, 2004)

Theo ông Nguyễn Đăng Nghĩa, Giám đốc Trung tâm chuyển giao tiến bộ kỹ thuật nông nghiệp, Viện Khoa học – kỹ thuật nông nghiệp Miền Nam: “Nguồn nước mặt đang ô nhiễm nghiêm trọng, đến một lúc nào đó nếu không còn sử dụng được thì chúng ta sẽ lấy nước ở đâu để sống? Hiện nay, nước dưới đất đang đóng một vai trò quan trọng trong việc cấp nước sinh hoạt và sản xuất ”[3]

Với những lý do trên nguồn nước dưới đất trước mắt cũng như lâu dài đóng một vai trò rất quan trọng để bổ sung nguồn nước cho nhân loại (Phạm Ngọc Hải – Phạm Việt Hòa, 2004)

2.1.3.3 Nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có nguồn nước dưới đất khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng Nước dưới đất tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích đất đá hoặc do sự thẩm thấu, thấm của nguồn nước mặt nước mưa…nước dưới đất có thể tồn tại cách mặt đất vài mét, vài chục mét, hay hàng trăm mét Đối với các hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước dưới đất luôn là nguồn nước được ưa thích Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa Nguồn nước dưới đất ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người Chất lượng nước dưới đất thường tốt hơn chất lượng nước mặt nhiều Trong nước dưới đất hầu như không có các hạt keo hay các hạt lơ lửng, và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp [4]

2.1.3.4 Nguồn tài nguyên nước dưới đất ở Đồng bằng sông Cửu Long

Là nguồn cấp nước quan trọng do chất lượng nước mặt không đảm bảo tiêu chuẩn cấp nước đặc biệt ở vùng có nguồn nước mặt bị nhiễm phèn, mặn vào mùa khô

Trữ lượng nước ngầm ở Đồng bằng sông Cửu long có thể khai thác được khoảng 27,5 triệu m3/ngày và phân bố không đều theo diện rộng và theo chiều sâu

Ở nhiều nơi, nguồn nước dưới đất bị nhiễm sắt, mặn, nitrate, amonia tự do Cần phải được xử lý để đảm bảo tiêu chuẩn nước ăn uống và sinh hoạt [9]

2.1.3.5 Chất lượng nước dưới đất

Không giống như nước bề mặt, nguồn nước dưới đất ít chịu ảnh hưởng yếu tố tác động của con người Chất lượng nước dưới đất thường tốt hơn chất lượng nước

bề mặt, có trữ lượng lớn, có thể khai thác lâu dài dùng cho mục đích ăn uống và sinh hoạt Trong nước dưới đất hầu như không có các hạt keo hay các hạt cặn lơ lửng, các chỉ tiêu vi sinh trong nước dưới đất cũng tốt hơn các chỉ tiêu vi sinh trong nước bề mặt Trong nước dưới đất không chứa rong tảo là những thứ dễ gây ô nhiễm nguồn nước Thành phần đáng quan tâm trong nước dưới đất là các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điền kiện địa tầng, thời tiết nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất thải bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước dưới đất dễ bị ô nhiễm bởi các chất khoáng hòa tan, các chất hữu cơ, mùn lâu ngày theo nước mưa thấm vào nguồn nước (Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006)

2.1.4 Các nguồn gây ảnh hưởng đến chất lượng nước dưới đất

Nước dưới đất có thể nhiễm bẩn do tác động của con người Các chất thải của người và động vật, các chất thải hóa học, các chất thải sinh hoạt cũng như việc sử dụng phân bón hóa học Tất cả những chất thải đó theo thời gian ngấm dần vào nguồn nước, tích tụ dần và dẫn đến làm hư hỏng nguồn nước dưới đất Đã có không

ít nguồn nước dưới đất do tác động của con người đã bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ khó phân hủy, các vi khuẩn gây bệnh và nhất là các hóa chất độc hại như các kim loại nặng và không loại trừ cả các chất phóng xạ

Ion Ca2+

Nước ngầm có thể chứa Ca2+ với nồng độ cao Trong đất thường chứa nhiều

CO2 do các quá trình trao đổi chất của rễ cây và các quá trình thủy phân các tạp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật tạo khí CO2 , khí CO2 hòa tan trong nước mưa tạo H2CO3 Axit yếu sẽ thấm sâu xuống đất và hòa tan canxi cacbonat tạo ra ion Ca2+:

H2CO3 + CaCO3  Ca(HCO3)2  Ca2+ + 2HCO3Ion Mg2+

-Nguồn gốc của ion Mg2+ trong nước dưới đất chủ yếu từ các muối magie silicat và CaMg(CO3)2, chúng hòa tan chậm trong nước chứa khí cacbonic Sự có mặt của Ca2+ và Mg2+ tạo nên độ cứng của nước

Ion Na+

Sự hình thành của Na+ trong nước chủ yếu theo phương trình phản ứng sau:

2NaAlSi3O3 + 10H2O  Al2Si2(OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO3

Na+ cũng có thể có nguồn gốc từ NaCl, Na2SO4 là những muối có độ hòa tan lớn trong nước biển

Ion Fe2+

Các ion Fe2+ từ các lớp đất đá được hòa tan trong nước trong điều kiện yếm khí như sau:

4Fe(OH)3 + 8H+ 4Fe2+ + O2 + 10H2O Khi không bị vi sinh vật tiêu thụ cho các quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ trong đất (hợp chất humic), Fe(OH)3 sẽ bị khử thành Fe2+

Ion Mn2+

VSV

Các ion Mn2+ cũng được hòa tan trong nước từ các tầng đất đá từ các điều kiện yếm khí như sau:

6MnO2 + 12H+ Mn2+ + 3O2 + 6H2O Ion amôn NH4+

Các ion amôn có trong nước ngầm có nguồn gốc từ các chất thải rắn và nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, chất thải chăn nuôi, phân bón hóa học và trong quá trình vận động của nitơ

Ion bicacbonat HCO

3-Các ion bicacbonat được tạo ra trong nước nhờ quá trình hòa tan của đá vôi khi

Đã có không ít nguồn nước dưới đất bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó

phân huỷ và các vi khuẩn như E.coli và Coliform gây ra một số bệnh tật nguy hiểm

đối với con người như: tả, lỵ, thương hàn, tiêu chảy, viêm gan A, bại liệt, các bệnh

về mắt, ngoài da, bệnh phụ khoa [6]

Một số nguồn nước bị nhiễm arsenic, do sử dụng nguồn nước này, rất nhiều trường hợp bị các tổn thương như tóc bị sừng hóa, rụng tóc nhiều; các bệnh về da như khô da bong vẩy, hạt cơm; bệnh tăng sắc tố, bệnh tắc mạch đầu chi, tê tay chân, rối loạn về thai sản và ung thư [7]

Đặc biệt, trong nước dưới đất thường có hàm lượng sắt cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu, sắt thường tồn tại trong nước dưới đất ở dạng ion, sắt có hoá trị 2 (Fe2+) là thành phần của các muối hoà tan như:

VSV

Fe(HCO3)2; FeSO4… Nước có hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng, gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt [5]

2.2 Một số vấn đề về cấp nước và sử dụng nước

Bất cứ khu dân cư và sản xuất nào cũng cần hệ thống cấp nước sạch Cấp nước sạch trở thành một trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá sự phát triển của xã hội Trong thời đại hiện nay do sự bùng nổ về dân số, do các ngành kinh tế của các nước thi nhau phát triển như vũ bão, chất lượng cuộc sống của con ngưới ngày càng được nâng cao, vì thế nhu cầu sử dụng nước ngày một lớn, các nguồn nước khai thác và sử dụng ngày càng nhiều (Phạm Ngọc Hải – Phạm Việt Hòa, 2004)

Người ta có thể dựa vào lượng nước sử dụng trên mỗi đầu người của từng quốc gia để đánh giá mức độ phát triển của quốc gia đó, xã hội càng phát triển, nhu cầu dùng nước càng tăng Cư dân sống trong điều kiện nguyên thủy chỉ cần 5 - 10lít/người/ngày Nhưng hiện nay tại các đô thị, nước sinh hoạt cần gấp hàng chục lần như vậy Tiêu chuẩn cấp nước hiện nay trong các đô thị của Mỹ là 380 – 500lít/người/ngày, của Pháp 200 - 500lít/người/ngày, của Singapore 250 – 400lít/người/ngày, ở nước ta tiêu chuẩn cấp nước đối với khu vực đô thị là 150–200lít/người/ngày, đối với khu vực nông thôn là 50–100 lít/người/ngày (Tăng Văn Đoàn – Trần Đức Hạ, 2006) Tuy nhiên mỗi quốc gia đều có những tiêu chuẩn riêng

về chất lượng nước cấp, trong đó có thể có các chỉ tiêu cao, thấp khác nhau nhưng nhìn chung, các chỉ tiêu này phải đạt tiêu chuẩn an toàn vệ sinh về số lượng vi trùng

có trong nước, không có chất độc hại làm nguy hại đến sức khỏe của con người và tốt nhất phải đạt tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) hoặc của cộng đồng châu Âu (Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006)

Thông thường nước cấp cho các nhu cầu sinh hoạt cần phải đảm bảo các chỉ tiêu về độ pH, nồng độ ôxy hòa tan (DO), độ đục, độ màu, hàm lượng sắt, mangan,

độ cứng, mùi vị Ngoài ra nước cấp sinh hoạt cần phải ổn định về mặt lý học, hóa học cùng các chỉ tiêu vệ sinh an toàn khác như số vi trùng trong nước

Liên hiệp quốc (1992) đã chính thức chọn ngày 22 tháng 3 hàng năm làm ngày

“Quốc tế về nước” nhằm nhắc nhở mọi người quan tâm hơn về nguồn nước Tại Việt Nam, chương trình nước sạch và vệ sinh môi trường đã được UNICEF tài trợ

từ năm 1982 với mục đích giúp Việt Nam giải quyết nhu cầu về nước sạch và vệ sinh môi trường (NS-VSMT) của cư dân nông thôn Từ năm 1982 đến 1990, UNICEF thực hiện dự án thí điểm mô hình cấp nước sạch tại ba tỉnh Minh Hải (cũ), Kiên Giang, Long An với mục tiêu giải quyết khẩn cấp về nước sinh hoạt cho nhân

dân vùng kinh tế mới Ðến năm 1984, dự án được mở rộng đến các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ Tĩnh (cũ), Hà Nam Ninh (cũ) Ðến năm 1990, dự án được triển khai tại 27 tỉnh Từ năm 1991 đến năm 2000, dự án nước sạch UNICEF được mở rộng đến 53 tỉnh Chương trình này tập trung giải quyết vấn đề nước sạch vùng nông thôn, và đã được thủ tướng chính phủ chính thức phê duyệt (Quyết định số 104/2000/QĐ – TTg ngày 25/8/2000)

Mục tiêu cụ thể của chiến lược là:

- Mục tiêu tới năm 2010: 85% dân cư nông thôn sử dụng nước hợp vệ sinh với

số lượng 60 lít/người.ngày, 70% gia đình và dân cư nông thôn sử dụng hố xí hợp vệ sinh và thực hiện tốt vệ sinh cá nhân

- Mục tiêu tới năm 2020: Tất cả cư dân nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người.ngày, sử dụng hố xí hợp vệ sinh và thực hiện tốt vệ sinh cá nhân, giữ vệ sinh môi trường, làng, xã

2.3 Giới thiệu sơ lược về sắt trong nước dưới đất

2.3.1 Vai trò và nguồn gốc của sắt

Sắt trong nước không phải là chỉ tiêu ô nhiễm chính và không có tác dụng độc hại đối với sức khỏe con người Tuy nhiên, cần phải hạn chế hàm lượng của sắt trong nước vì lý do chính là để cải thiện chất lượng cảm quan của nước Nước chứa sắt không những gây ra màu và vị xấu cho nước mà còn làm cho các vi sinh vật dễ phát triển, khơi màu cho các hiện tượng ăn mòn (Nguyễn Hữu Phú, 2001)

Hình thức chung của sắt trong nước là ion Fe2+ (sắt hóa trị 2) có thể hòa tan, nồng độ thường từ 1 tới 10 mg/l Khi lộ ra trong không khí, Fe2+ bị oxy hóa thành

Fe3+ (sắt hóa trị 3) không thể hòa tan và bị kết tủa như là hydroxit sắt-Fe(OH)3 làm cho nước có kết tủa màu nâu Ăn mòn ống chống và các ống khác có thể tăng lượng sắt vào trong giếng nước dưới đất Hàm lượng sắt lớn nhất cho phép trong nước uống là 0.3 mg/l (Ngô Xuân Trường, et al., 2004)

Sắt là một nguyên tố có nhiều trong vỏ Trái Đất Độ hòa tan của sắt trong nước

là kết quả của nhiều phản ứng thuận nghịch, chủ yếu là phản ứng thủy phân của sắt feric (Fe3+) và sắt ferơ (Fe2+) Ngoài ra, còn có phản ứng tạo phức với các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác:

Fe3+ + 3H2O  Fe(OH)3 + 3H+

Fe3+ + e  Fe2+

Sự tồn tại của sắt hòa tan trong môi trường nước đòi hỏi một thế oxy hóa yếu, thường ở đáy hồ, nước yếm khí nên phản ứng khử sắt feric thành sắt ferơ dễ dàng xảy ra Sắt hòa tan thường ở dưới dạng cacbonat hoặc bicacbonat (Nguyễn Hữu Phú, 2001)

2.3.2 Những dấu hiệu cơ bản nhận biết nước nhiễm Sắt

Nước nhiễm sắt chủ yếu là bị nhiễm sắt 2, có mùi tanh, sắt tồn tại ở dạng ion, không nhìn thấy được Do đó, lúc mới bơm lên thì rất trong Sau khi bị oxy hóa, các ion sắt 2 sẽ chuyển thành sắt 3, kết tủa lại và có màu hơi vàng, mặt nước để lâu có váng [8] Trong sinh hoạt, nước nhiễm sắt không những gây vàng ố quần áo, làm tiêu tốn thêm xà phòng, gây mùi tanh và vị xấu cho nước (không được chấp nhận trên quan niệm thẩm mỹ) mà còn làm các vi sinh vật dễ phát triển, khơi màu cho các hiện tượng ăn mòn (Trần Khưu Tiến, 2008)

2.4 Một số phương pháp xử lý sắt hiện nay

2.4.1 Phương pháp phân tích xác định nồng độ Sắt trong nước

Phương pháp Phenanthrolin là phương pháp tiêu chuẩn thích hợp để xác định lượng sắt có trong nước trừ khi mẫu có chứa photphat và kim loại nặng Phương pháp này dựa trên đặc tính của 1,10-phenanthrolin có khả năng kết hợp với Fe2+ tạo thành phức có màu đỏ cam Màu tạo thành được đo bằng quang phổ kế (Nguyễn Trung Việt, et al., 2011)

2.4.2 Một số phương pháp xử lý Sắt trong nước hiện nay

2.4.2.1 Phương pháp oxy hoá sắt

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III) Trong nước dưới đất, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân

thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng:

Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3Nếu trong nước có oxy hoà tan, sắt (II) hyđroxyt sẽ bị oxy hoá thành sắt (III) hyđroxyt theo phản ứng:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3 ↓ Sắt (III) hyđroxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách

ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc

Kết hợp các phản ứng trên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ + 8HCO3Nước dưới đất thường không chứa oxy hoà tan hoặc có hàm lượng oxy hoà tan rất thấp Để tăng nồng độ oxy hoà tan trong nước dưới đất, biện pháp đơn giản nhất

-là -làm thoáng Hiệu quả của bước -làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt

2.4.2.2 Phương pháp khử sắt bằng quá trình oxy hoá

a Làm thoáng đơn giản bề mặt lọc

Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc Chiều cao giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7m, lỗ phun có đường kính từ 5-7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m3/m2.h Lượng oxy hoà tan trong nước sau khi làm thoáng ở nhiệt độ 250C lấy bằng 40% lượng oxy hoà tan bão hoà (ở 250C lượng oxy bão hoà bằng 8,1mg/l) (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

b Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ

Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên Lượng oxy hoà tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50% (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

c Làm thoáng cưỡng bức

Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40m3/h Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 đến 6m3 cho 1m3 nước Lượng oxy hoà tan sau làm thoáng bằng 70% hàm lượng oxy hoà tan bão hoà Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75% (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

2.4.2.3 Khử sắt bằng hoá chất

Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất oxy hoá mạnh Đối với nước dưới đất, khi hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hoá hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hoá chất để khử sắt (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

a Biện pháp khử sắt bằng vôi

Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế oxy hoá khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III) Sắt (III) hyđroxyt kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước

Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước dưới đất Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

b Biện pháp khử sắt bằng Clo

Theo Nguyễn Ngọc Dung (2009) quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3CaCl2 + 6H+ + 6HCO3

-c Biện pháp khử sắt bằng Kali Permanganat (KMnO 4 )

Theo Nguyễn Ngọc Dung (2009) khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử Phản ứng xảy ra theo phương trình sau:

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

2.4.2.4 Một số biện pháp khác

a Biện pháp khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxy hoá khử

Fe2+ thành Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc Quá trình diễn ra rất nhanh chóng và có hiệu quả cao Cát đen là một trong những chất có đặc tính như thế [1]

b Biện pháp khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước dưới đất không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic Chỉ có hiệu quả khi khử nước dưới đất có hàm lượng sắt thấp (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

c Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh

Một số loại vi sinh có khả năng oxy hoá sắt trong điều kiện mà quá trình oxy hoá hoá học xảy ra rất khó khăn Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước Thường sử dụng thiết bị bể lọc chậm để khử sắt (Nguyễn Ngọc Dung, 2009)

d Khử sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa

Giới thiệu về phương pháp

Keo tụ điện hoá là một phương pháp điện hoá trong xử lý nước, trong đó dưới tác dụng của dòng điện thì các điện cực dương (thường sử dụng là nhôm hoặc sắt) sẽ bị ăn mòn và giải phóng ra các chất có khả năng keo tụ (cation Al3+ hoặc

Fe3+) vào trong môi trường nước, kèm theo đó là các phản ứng điện phân sẽ tạo ra các bọt khí ở cực âm (Hold, Barton và Mitchell, 2004)

Đặc điểm của phương pháp keo tụ điện hoá

Theo Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa Begum Anantharaman

(2006), phương pháp keo tụ điện hóa có các đặc điểm sau đây:

+ Dòng điện được sử dụng trong phương pháp keo tụ điện hóa là dòng điện một chiều

+ Các điện cực dương được sử dụng thường là bằng nhôm hoặc sắt Tùy vào giá trị pH và đặc tính của nước ở từng trường hợp cụ thể mà xác định xem điện cực nào là cực dương, điện cực nào là cực âm

+ Thời gian lưu nước, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và hiệu suất vận hành của bể có mối quan hệ rất chặt chẽ với nhau

+ Hệ thống điện cực được đặt ngập trong nước, để đảm bảo khả năng tiếp xúc giữa các bọt khí và các chất ô nhiễm là tốt nhất

+ Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong điều kiện là nạp nước đầu vào liên tục hoặc hoạt động trong điều kiện nước chỉ được nạp một lần (theo mẻ)

Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), keo tụ điện hóa là phương pháp giao thoa của ba quá trình: điện hoá học, tuyển nổi điện phân, keo tụ

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống này dựa trên cơ sở của phương pháp điện hóa hòa tan anode, nhằm tạo ra hydroxyt kim loại và các gốc tự do Các phản ứng oxy hóa và khử xảy ra riêng biệt trên mỗi bề mặt điện cực tương ứng Sử dụng dòng điện một chiều để oxy hóa sắt tan thành sắt hydroxit không tan [4]

Điện cực nối với cực âm của dòng điện một chiều gọi là cực âm hay cathode Điện cực nối với cực dương của dòng điện một chiều gọi là cực dương hay anode

Ở anode xảy ra các phản ứng oxy hóa tạo ra các hydroxyt kim loại, nước đóng vai trò là chất khử, nước bị oxy hóa tạo khí Oxy thoát ra đồng thời phóng thích H+

ra dung dịch Oxy sinh ra sẽ oxy hóa sắt (II) thành sắt (III) Các chất hữu cơ liên kết yếu có thể bị khử trực tiếp bởi quá trình oxy hóa, các chất hữu cơ cao phân tử có thể được gỡ bỏ qua quá trình keo tụ các hydroxyt kim loại

Các bọt khí mịn sinh ra nhằm nâng cao khả năng tách giữa pha rắn và pha lỏng Các bọt khí này làm tăng mức độ phối trộn và vận hành các bông keo tụ lên bề mặt, phục vụ quá trình keo tụ đạt hiệu quả cao Khí hydro sinh ra ở cathode và oxy sinh ra ở anode sẽ oxy hóa hoàn toàn sắt

Các phương trình phản ứng:

Ở anode 4Al  4Al2+ + 8e

-H2O – 2e-  ½ O2 + H+4Fe2+ + 10H2O + O2  Fe(OH)3 + 8H+

- Hiệu suất xử lý cao, dễ vận hành

- Tạo khí H2, O2 ở điện cực, thân thiện với môi trường

- Khả năng tự động hóa cao

Hạn chế

- Điện cực dương sẽ bị ăn mòn

- Việc sản xuất của các chất khí từ phân hủy ở trên (hydro và oxy) có thể tạo thành hỗn hợp nổ

- Việc thiếu kiến thức hoặc hiểu biết về điện có lẽ là trở ngại lớn nhất đối với việc sử dụng của nó

Xác định công suất, mục tiêu

Tính toán lại hiệu suất

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện

Địa điểm thực hiện: đề tài được nghiên cứu và thực hiện tại Khoa Môi Trường

và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Trường Đại học Cần Thơ

Thời gian thực hiện: học kỳ 2 năm học 2011 – 2012

3.2 Đối tượng thí nghiệm

Nước dùng trong thí nghiệm là nước giếng khoan (lấy tại Khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên – Trường Đại học Cần Thơ) pha với FeCl2.4H2O để nồng

độ sắt trong nước đầu vào ≈ 2mg/l

3.3 Các bước tiến hành thí nghiệm

Các bước tiến hành thí nghiệm được trình bày trong hình 3.1:

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thiết kế hệ thống xử lý nước dưới đất nhiễm sắt

Bước 1: Xác định công suất, mục tiêu

Kết luận

Thiết kế hệ thống keo tụ điện hóa xử lý nước dưới đất nhiễm sắt một cách đơn giản, hiệu quả, góp phần cung cấp nguồn nước sạch, an toàn cho người dân sử dụng Năng lượng để cung cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động ứng dụng từ năng lượng mặt trời

Hệ thống xử lý nước nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa là để cung cấp cho một hộ gia đình ở nông thôn nên công suất thiết kế phải dựa vào nhu cầu dùng nước của các thành viên trong gia đình trong ngày Do không có những số liệu tính toán cụ thể nên việc tính toán nhu cầu dùng nước chỉ dựa vào các định mức, định hướng cung cấp nước sạch mà mục tiêu của Nhà nước đặt ra cho cư dân nông thôn như sau:

Theo Quyết định của Thủ tướng chính phủ số 104/2000/QĐ-TTG vào ngày 25 tháng 8 năm 2000, đặt ra chỉ tiêu đến năm 2020: tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người/ngày

Dựa vào định mức trên nên quyết định thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa cho hộ gia đình gồm năm người với tiêu chuẩn cấp nước là 60 lít/ngưới.ngày, tương ứng với công suất làm việc là 300 lít/ngày

Chất lượng nước sau khi xử lý phải đảm bảo an toàn sức khỏe cho người dân

sử dụng và đạt QCVN 01 – 2009/BYT về nước ăn uống và nước

Bước 2: Tính toán thiết kế hệ thống

Quy trình xử lý

Hệ thống xử lý nước dưới đất nhiễm sắt hoạt động theo quy trình sau:

Hình 3.2 Quy trình xử lý nước dưới đất nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện

Thuyết minh quy trình

Nước dưới đất sau khi bơm lên được cho vào bể điện phân và tiến hành keo tụ điện hóa ở khoảng thời gian nhất định, nước sau keo tụ được lắng một khoảng thời gian để các bông cặn có thể lắng xuống đáy (các bông cặn sẽ được xả ra ngoài bằng van xả cặn nằm dưới đáy thùng điện phân) Sau khi lắng, nước sẽ chảy qua cột lọc

và được điều chỉnh vận tốc lọc bằng van xả được nối với hệ thống ống thu nước trong thùng điện phân Kết thúc quá trình lọc nước sau xử lý sẽ được chảy vào thùng chứa phía dưới cho người dân sử dụng

Tính toán thiết kế hệ thống

Để việc xử lý được thuận tiện và phù hợp với quy mô hộ gia đình và tiết kiệm được diện tích thùng chứa nên hệ thống sẽ vận hành theo mẽ, dùng thùng nhựa composite với thể tích là 120 lít làm thùng chứa và cột lọc nước bằng nhựa PVC

Cột lọc được thiết kế để có thể giữ được các bông cặn sắt và có thể khử được mùi nên tôi thiết kế cột gồm: cát, than và sỏi Yêu cầu chủ yếu của cột lọc là giữ lại các bông cặn sắt nên cột lọc được thiết kế dựa trên các thông số về lọc nhanh

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) vận tốc lọc nhanh từ 3 đến 20 m/h

Nước đầu vào

Keo tụ điện hóa

Lắng

Lọc

Bể chứa nước sau xử lý

Diện tích bề mặt lọc được tính theo công thức (Trịnh Xuân Lai, 2003):

F = Q/v (m2) Trong đó:

Q – Lưu lượng từ bể lắng sang bể lọc (m3/h)

v – Vận tốc của nước qua cột lọc (m/h)

Bước 3: Lựa chọn vật liệu

Nguyên tắc lựa chọn vật liệu thiết kế

Thiết bị được thiết kế dựa trên cơ sở sử dụng các nguyên liệu có bán rộng rãi trên thị trường

Sau khi hoàn thành hệ thống phải đảm bảo được các mục tiêu sao: Hiệu quả, đơn giản, dễ sử dụng

Giá thành hệ thống phải phù hợp với điều kiện kinh tế của các hộ gia đình với mức thu nhập trung bình

Người dân có thể tự vận hành hệ thống và có thể tự bảo trì sửa chữa được

Bước 4: Tính toán lại

Tính toán lại hiệu suất xử lý của mô hình khi chọn mua vật liệu trên thị trường

Bước 5: Kiểm tra vận hành và bố trí thí nghiệm

Quá trình điện phân phụ thuộc vào một số yếu tố chủ yếu: khoảng cách giữa hai điện cực, diện tích bảng điện cực, thời gian điện phân Do đó, cần thực hiện các thí nghiệm sau để xác định các thông số vận hành phù hợp:

Thí nghiệm 1: Xác định khoảng cách hai điện cực thích hợp để loại bỏ sắt

Lần lượt thay đổi khoảng cách hai điện cực: 1cm, 2cm, 3cm, 4cm Theo Trần

Hiếu Nhuệ (2001), khoảng cách giữa hai điện cực trong bể điện phân là 1,5 - 2 cm Với mỗi khoảng cách được keo tụ điện hóa 15 phút ( Trần Hiếu Nhuệ (2001),

thời gian lưu 0,3 – 0,75h )

Lấy mẫu nước ở lớp giữa trong bồn điện phân để phân tích các chỉ tiêu: pH,

Fe2+

Theo dõi các thông số: cường độ dòng điện, hiệu điện thế, mật độ dòng điện, khối lượng điện cực trước và sau mỗi thí nghiệm

Thí nghiệm được lặp lại 3 lần với 4 cấp độ

Thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ sau:

Thí nghiệm 2: Xác định diện tích điện cực

Khoảng cách giữa hai điện cực được chọn cố định ở thí nghiệm 1

Với mỗi diện tích điện cực được keo tụ điện hóa 15 phút ( Trần Hiếu Nhuệ (2001), thời gian lưu 0,3 – 0,75h )

Lấy nước ở giữa phân tích các chỉ tiêu: pH, Fe2+

Theo dõi các thông số: cường độ dòng điện, hiệu điện thế, mật độ dòng điện, khối lượng điện cực trước và sau mỗi thí nghiệm

Thí nghiệm được lặp lại 3 lần với 3 cấp độ

Thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ sau:

Khoảng cách giữa hai điện cực

Thí nghiệm 3: Xác định thời gian keo tụ điện hóa thích hợp

Nước sau keo tụ để lắng 30 phút

Cho phần nước trong ở trên lọc qua cột lọc với vận tốc 3,25 m3/m2h (thời gian lọc 2h)

Phân tích các chỉ tiêu nước đầu ra: pH, mùi, độ kiềm, độ đục, Fetổng, vi sinh

Theo dõi các thông số: cường độ dòng điện, hiệu điện thế, mật độ dòng điện, khối lượng điện cực trước và sau mỗi thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành với 4 cấp độ, 3 lần lặp lại

Thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ sau:

3.4 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu

Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu cần phải theo dõi trong đề tài được tóm tắt trong bảng sau:

Bảng 3.1 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu

Độ đục Hiện trường Nephelometric Máy đo độ đục Lovibond

Ngoài ra đề tài còn sử dụng một số vật liệu để chế tạo mô hình:

Thời gian điện phân (phút)

- Hai thùng phuy bằng nhựa composite với thể tích 120 lít (1 thùng điện phân

và 1 thùng chứa nước đầu ra)

- Tấm kim loại nhôm để làm điện cực

- Hệ thống pin năng lượng mặt trời gồm: panel, bộ chuyển đổi, bình ăcquy

- Cột lọc bằng nhựa PVC chứa cát, than hoạt tính, sỏi

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Xác định công suất thiết bị

Theo Quyết định của Thủ tướng chính phủ số 104/2000/QĐ-TTG vào ngày 25 tháng 8 năm 2000, đặt ra chỉ tiêu đến năm 2020: tất cả dân cư nông thôn sử dụng nước sạch đạt tiêu chuẩn quốc gia với số lượng ít nhất 60 lít/người/ngày

Dựa vào định mức trên tôi quyết định thiết kế hệ thống xử lý nước nhiễm sắt bằng phương pháp keo tụ điện hóa cho hộ gia đình gồm năm người với tiêu chuẩn cấp nước là 60 lít/ngưới.ngày, tương ứng với công suất làm việc là 300 lít/ngày, với thời gian hoạt động 9 giờ/ngày

4.2 Tính toán và thiết kế hệ thống

Lưu lượng nước cần xử lý trong một ngày là 300 lít/ngày với thời gian hoạt

động của hệ thống là 9 giờ/ngày Ta có thể chia lượng nước cần xử lý ra làm 3 lần, tương ứng với mỗi lần điện phân lượng nước đầu vào là 100 lít

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) vận tốc lọc nhanh từ 3 đến 20 m/h nên tôi chọn vận tốc lọc v = 3 m/h

Thời gian hoạt động của hệ thống là 9 giờ/ngày với tần suất xử lý 3 mẻ/ngày, mỗi lần xử lý 100 lít Trung bình mỗi mẻ xử lý khoảng 3 giờ, trừ thời gian điện phân, thời gian lắng và thời gian chuẩn bị nước đầu vào khoảng 1 giờ thì thời gian lọc còn lại khoảng 2 giờ Như vậy, mỗi giờ cột lọc phải lọc với lưu lượng khoảng 50 lít

Diện tích bề mặt lọc:

F = Q/v = 0,05/3 = 0,0166 (m2)

Trong đó:

Q – Lưu lượng từ bể lắng sang bể lọc (m3/h)

v – Vận tốc của nước qua cột lọc (m/h)

Ta có: F = π.r2 => r = (F/π)1/2 = (0,0166/3,14)1/2 = 0,072 (m)

 Đường kính cột lọc là: D = 0,144 (m)

4.3 Lựa chọn vật liệu

Lựa chọn panel năng lượng mặt trời

Trên thị trường hiện nay, panel năng lượng mặt trời có rất nhiều dòng sản phẩm với những công suất khác nhau: 20W, 22W, 24W… Khi tìm mua các panel này loại phổ biến, dễ tìm nhất là loại 22W và một số loại khác có công suất và giá thành đắt hơn rất nhiều Do đó, panel 22W được chọn để tiến hành thí nghiệm vì tính phổ biến, giá cả hợp lý và tính đồng bộ của nó với ăcquy trong thí nghiệm

Một số nghiên cứu gần đây về phương pháp keo tụ điện hóa với các thông số cường độ dòng điện và điện thế như: 24V-5A (Nguyễn Ngọc Diễm – Trần Thị Lệ Hằng, 2010), 24V-1,6A (Nguyễn Minh Tùng, 2011) Do các nghiên cứu trên là sử dụng dòng điện AC sau đó chuyển đổi thành dòng DC nên có thể chủ động trong việc điều chỉnh cường độ dòng điện trong thí nghiệm Ở nghiên cứu này do tôi sử dụng năng lượng mặt trời nên phải sử dụng ăcquy để tích điện, loại ăcquy được bán rộng rãi trên thị trường là ăcquy 12V-7.5Ah và một số loại khác có công suất phát

và nạp năng lượng rất cao không phù hợp với panel năng lượng nên loại ăcquy 12V-7.5Ah được chọn để tiến hành thí nghiệm

Lựa chọn vật liệu lọc

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cát dùng để lọc là cát thạch anh hoặc cát vàng có kích thước hạt từ 0,5 – 2,0 mm Cát lọc phải sạch, không có tạp chất, chất bẩn hữu cơ Vật liệu lọc được thiết kế với bề dày lớp cát lọc 0,3 m và khoảng 0,1 m lớp than hoạt tính dưới lớp cát

Lớp sỏi đỡ: Để cho cát lọc không lọt qua khe hoặc ống thu sang bể chứa nước sạch, kích thước sỏi đỡ phụ thuộc kích thước cát lọc Với cột lọc phục vụ cho hộ gia đình, kích thước sỏi đỡ được chọn khoảng từ 4 – 10mm, được xếp theo cấp phối lớn dần

từ trên xuống Chiều dày của lớp sỏi đỡ 0,1 m đồng thời phủ một ít đá dăm lên phía trên lớp sỏi Trước khi đưa vào cột lọc tất cả vật liệu lọc phải được rữa sạch

4.4 Tính toán lại

Cấu tạo chung

- Vì là hệ thống xử lý áp dụng cho quy mô hộ gia đình nên tôi kết hợp giữa

điện phân và lắng cùng 1 thùng chứa, sau khi lắng nước sẽ được điều chỉnh bằng van để tự chảy qua cột lọc

- Cột lọc bằng nhựa PVC dùng các van để xả cặn, xả rửa lọc

- Chiều cao tổng cộng của cột lọc tính bằng tổng chiều dày các lớp vật liệu lọc, chiều cao lớp nước tồn lưu và chiều cao mặt thoáng tổn thất cột áp

- Để thu nước đầu ra sau lọc tôi đặt giữa lớp sỏi 1 ống lược được nối với ống dẫn nước ra ngoài để tránh những hạt cát nhỏ sẽ theo dòng chảy và đi ra ngoài

Tính toán lại cột lọc

Do trên thị trường không có bán loại ống có đường kính 0,144 (m) nên tôi chọn loại có đường kính D = 0,14 (m) để sử dụng (giá thành hợp lý, đường kính ống không nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu thiết kế)

Hình 4.1 Sơ đồ cấu tạo và bố trí hệ thống xử lý

0,8m

0,2m 0,65m

Thùng chứa cặn

Thùng chứa nước sau xử lý

Cột lọc Thùng điện phân + lắng