Nghiên cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc aquazuv trong quá trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía nam huyện phú xuyên tp hà nội

Các tác động có hại của amoni trong nước ngầm Amoni NH4+ thật ra không quá độc đối với cơ thể con người, song do quá trình khai thác, xử l , lưu trữ NH4+ được chuyển hoá thành nitrit NO

Xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các bạn cùng lớp

Và cuối cùng con xin cảm ơn bố mẹ và các thành viên trong gia đình đã tạo điều kiện về mặt vật chất cũng nhƣ tinh thần để con hoàn thành luận tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn./

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Học viên

Vũ Thị Mến

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 8

1.1 AMONI VÀ CÁC TÁC TỚI SỨC KHỎE 8

1.1.1 Các tác động có hại của amoni trong nước ngầm 8

1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội 9

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI ÁP DỤNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP 13

1.2.1 Phương pháp hóa l 13

1.2.1.2 Clo hoá tới điểm nhảy 13

1.2.1.2 Phương pháp thổi khí ở pH cao 14

1.2.1.3 Phương pháp trao đổi ion 14

1.2.2 Phương pháp sinh học 15

1.2.2.1 Phương pháp lọc nhỏ giọt [1] 18

1.2.2.2 Phương pháp lọc sinh học kiểu lớp vật liệu mang vi sinh ngập nước 19

1.2.2.3 Phương pháp lọc chậm 20

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 23

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 23

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 25

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 27

2.1.1 Vị trí địa l khu vực nghiên cứu 27

2.1.2 Dân số và dự báo dân số khu vực nghiên cứu 28

2.1.3 Chất lượng nước nguồn vùng dự án 30

2.1.4 Một số công nghệ đã được áp dụng 31

2.1.4.1 Hiện trạng công nghệ xử lý nước ngầm ở Việt Nam 31

2.1.4.2 Công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm NH 4 + bằng phương pháp lọc AquazuV

có bổ sung vật liệu mang vi sinh 33

2.2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 37

2.2.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu 37

2.2.2 Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm 37

2.2.3 Cấu tạo và các thông số của bể lọc AquazuV 38

2.2.4 Nội dung nghiên cứu 45

2.2.5 Phương pháp phân tích 46

2.2.5.1 Phương pháp phân tích amoni 46

2.2.5.2 Phương pháp phân tích xác định nitrat 46

CHƯƠNG 3- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 47

3.1 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NITRAT HÓA 47 3.1.1 Ảnh hưởng của photpho đến tốc độ quá trình nitrat hóa 47

3.1.2 Kết quả khảo sát sự biến đổi thành phần nitơ theo đầu vào và đầu ra 48

3.1.2.1 Giai đoạn không bổ sung Photpho, không sục khí 48

3.1.2.2 Giai đoạn chỉ sục khí, không bổ sung Photpho 49

3.1.2.4 Giai đoạn bổ sung 0,054mg/l Photpho và sục khí 52

3.2 HIỆU SUẤT LOẠI BỎ NITƠ, TẢI XỬ LÝ, TẢI LƯỢNG CỦA HỆ 56

3.3 NHẬN XÉT PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT VÀ PHƯƠNG ÁN KHẮC PHỤC 57 KẾT LUẬN 60

PHỤ LỤC 1 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Bản đồ khu vực nghiên cứu 27

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử l nước ngầm tại Việt Nam 32

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử l nước ngầm bằng công nghệ AquazuV 33

Hình 2.4: Ảnh hưởng của pH tới vi khuẩn nitrat hóa 34

Hình 2.4 Cấu tạo mô hình bể lọc AquazuV trong phòng thí nghiệm 38

Hình 2.5 Hình ảnh bể lọc AquazuV 39

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm xác định các thông số động học của quá trình nitrat hóa 45

Hình 3.1 Ảnh hưởng của photpho đến tốc độ tiêu thụ cơ chất riêng 47

Hình 3.2 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn khởi động 49

Hình 3.3 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn chỉ sục khí, không bổ sung Photpho 51

Hình 3.4 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn không sục khí, bổ sung Photpho 52

Hình 3.6 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra giai đoạn bổ sung 0,054 mg P/L và sục khí dư 53

Hình 3.7 Diễn biến các nồng độ N trung bình tại các vị trí của cột lọc 55

Hình 3.8 Hiệu suất loại bỏ nitơ 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ưu, nhược điểm của các phương pháp xử l amoni 22

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp dân số vùng nghiên cứu 27

Bảng 2.2 Bảng dự báo phát triển dân số khu vực nghiên cứu 27

Bảng 2.3 Bảng dự báo dân số 28

Bảng 2.4 Bảng Tổng hợp nhu cầu dùng nước 28

Bảng 2.5 Chất lượng nước ngầm theo QCVN 01:2009 /BYT 30

Bảng 2.6 Số liệu về độc tính của một số chất 34

Bảng 2.7 Nồng độ NH4+ và NO2- gây ức chế Nitrobacter [21] 35

Bảng 3.1 – sự thay đổi tốc độ tiêu thụ cơ chất theo nồng độ photpho 46

Bảng 3.2 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 1 47

Hình 3.2 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào, đầu ra giai đoạn khởi động 48

Bảng 3.3 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 2 49

Bảng 3.4 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 3 50

Bảng 3.5 Diễn biến thành phần nitơ ở đầu vào và đầu ra kịch bản 4 51

Bảng 3.6 Biến đổi NO3 theo chiều cao cột lọc 53

Bảng 3.7 Bảng tính các thông số làm cơ sở cho thiết kế một hệ lọc 55

MỞ ĐẦU

Nước là một nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật Không có nước sự sống trên trái đất không thể tồn tại được Hàng ngày cơ thể người cần từ 3 đến 10 lít nước cho các hoạt động bình thường Lượng nước này thông qua con đường thức

ăn, nước uống đi vào cơ thể để thực hiện quá trình trao đổi chất, trao đổi năng lượng, sau đó theo đường bài tiết thải ra ngoài

Ở nước ta, việc sử dụng nước ngầm làm nước cấp cho ăn uống, sinh hoạt

là rất phổ biến Các nhà máy nước chủ yếu sử dụng nước ngầm làm nguồn nước thô để xử l , vì nước ngầm có ưu điểm là độ đục thấp và ít vi sinh vật, ổn định

về mặt chất lượng

Ngày nay, do quá trình phát triển của đời sống xã hội, sự phát triển của công nghiệp và nông nghiệp, nguồn nước ngầm ngày càng bị ô nhiễm như ô nhiễm sắt, mangan, asen, amoni, hợp chất hữu cơ…

Ở Hà Nội, phần lớn các nhà máy nước phía Nam đều bị ô nhiễm amoni Người dân đã và đang phải chấp nhận sử dụng nguồn nước không phù hợp với tiêu chuẩn vệ sinh mà nhất là có khả năng ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Hiện nay phần lớn các nhà máy xử l nước cấp dùng nước ngầm làm nguồn nước thô ở Việt Nam đều sử dụng dây chuyền công nghệ gồm các bước: làm thoáng, lắng tiếp xúc, lọc và clo hoá Công nghệ này nói chung chỉ xử l tốt được sắt, mangan, còn xử l amoni hầu như không có khả năng xử l

Xuất phát từ thực tế đó, các nhà khoa học đã tốn rất nhiều công sức để có thể đưa ra được một giải pháp hợp l nhất, phù hợp nhất đối với tình hình hiện nay như tính khả thi về khía cạnh tài chính, khả thi về mặt kỹ thuật (quản l vận hành và bảo dưỡng)

Nếu chúng ta chỉ thay đổi thời gian lưa nước cho các bể lọc cát các bể này có thể xử l được amoni được hay không, thời gian lưu tối ưu để xử l được tối đa amoni bao lâu? Biện pháp khắc phục đạt hiệu quả ra sao?

Với mục tiêu nghiên cứu khả năng xử l amoni của các công nghệ xử l

nước cấp, chúng tôi đã chọn đề tài để có biện pháp khắc phục: “Nghiên cứu

đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên -TP Hà Nội” để thực hiện luận văn này

Trên cơ sở nghiên cứu khả năng xử l NH4+ bằng phương pháp lọc AquazuV, lựa chọn các thông số vận hành để có thể đi đến mục tiêu xa hơn là thiết kế hệ thống trên thực tế Mục đích của chúng ta là làm sao để đưa công trình nghiên cứu ra thực tế cho nên việc xác định được chế độ vận hành với lưu lượng cao nhất mà vẫn đạt mục tiêu đặt ra là rất quan trọng

Luận văn bao gồm 03 chương và được bố cục như sau:

Đặt vấn đề

Chương I: Tổng quan

Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương III: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 AMONI VÀ CÁC TÁC TỚI SỨC KHỎE

1.1.1 Các tác động có hại của amoni trong nước ngầm

Amoni (NH4+) thật ra không quá độc đối với cơ thể con người, song do quá trình khai thác, xử l , lưu trữ NH4+ được chuyển hoá thành nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) Nitrit là chất độc rất có hại cho con người do nó có thể chuyển hoá thành Nitroamin, một chất có khả năng gây ung thư

Các ion NO3- có trong nước đổ ra biển và ở hàm lượng lớn chúng sẽ kích thích sự phát triển của thực vật thuỷ sinh, sau khi chết xác của chúng sẽ gây ô nhiễm nguồn nước Thông thường NO3-

không gây ảnh hưởng đến môi trường nước ngọt, mà photpho (P) mới là yếu tố dinh dưỡng gây ức chế sự phát triển của thực vật, nếu nồng độ NO3-

tăng nhưng photphat không tăng lên thì không làm cho thực vật phát triển Trong một số trường hợp thì Nitơ lại là yếu tố dinh dưỡng ức chế đối với môi trường nước ngọt

Hàm lượng nitrat trong nước uống cao là một vấn đề đáng quan tâm do chúng là nguồn gốc gây ra bệnh methemoglobin-huyết cho trẻ sơ sinh (nhất là dưới 6 tháng tuổi) và cả người lớn Làm cho da của trẻ sơ sinh có màu xanh xỉn, gây kích thích, hôn mê và nếu ở thể nặng, không được điều trị thích hợp có thể dẫn tới tử vong mà người ta quen gọi là hội chứng Blue Syndrome, hay còn gọi tắt là BBS

Nếu hàm lượng methemoglobin cao và không được điều trị kịp thời thì khả năng tử vong là khá cao Những yếu tố gây hội chứng BBS có thể nhận biết

dễ dàng như thiếu hụt enzyme cố hữu, viêm nhiễm, phản thuốc… và nếu tiếp xúc với hoá chất, hàm lượng methemoglobin sẽ tăng nhanh chóng

Ngoài ra, thức ăn có hàm lượng nitrat và nitrit cao cũng rất đáng quan tâm Những đứa trẻ sơ sinh trong giai đoạn mới được 6 tháng tuổi dễ bị mắc căn bệnh này vì hàm lượng enzyme methemoglobin reductase tương đối Thấy đây là một loại enzyme tế bào máu đỏ có khả năng chuyển hoá methemoglobin trở lại

thành hemoglobin Mối quan hệ giữa nước giếng nhiễm nitrat và hội chứng BBS lần đầu tiên được Hunter Comly, bác sỹ ở Iowa tìm thấy hồi đầu thập niên 40 khi ông điều trị hai đứa trẻ mắc chứng da xanh

Ngoài Mỹ, một số nước Đông Âu, mức độ nhiễm độc nguồn nước sinh hoạt lấy từ giếng lên cũng rất cao Ví dụ, tại Transylvania ở Rumani trong thời gian từ 1990-1994 trung bình cứ 100.000 trẻ em sơ sinh thì có tới 24 - 363 ca nhiễm độc Theo Đạo luật và An toàn nguồn nước sinh hoạt của Mỹ (SDWA) quy định thì hàm lượng nitrat tối đa là 10mg/l Thêm vào đó, hàm lượng NH4+trong nước uống cao có thể một số hậu quả khác như: Trong đó hàm lượng NH4+trong nước uống cao có thể gây một số hậu quả như:

Thứ nhất, nó làm giảm hiệu quả, độ tin cậy của khâu clo hoá sát trùng là

bước cuối cùng trong dây truyền công nghệ xử l nước hiện hành nhằm đảm bảo nước hoàn toàn về mặt vi sinh khi đến tay người tiêu dùng Đó là do phản ứng ngay với clo để chuyển hoá clo thành cloamin có tác dụng sát khuẩn yếu so với clo khoảng 100 lần

Thứ hai, khi có mặt trong nước lâu, theo chu trình tự nhiên amoni dưới

tác dụng của oxy và vi khuẩn có thể bị oxy hoá thành nitrit và nitrat Bản thân nirit và nitrat không gây ung thư nhưng khi vào cơ thể người dễ phản ứng với các chất khác tạo các hợp chất N-nitroso gây ung thư, tiêu chuẩn mới nhất của

Bộ Y tế yêu cầu tổng N-nitrit và nitrat ≤ 10mg/l (ứng với 50mgnitrat/l)

Thứ ba, nó là nguồn dinh dưỡng mà khi có nó các sinh vật nước kể cả tảo

phát triển rất nhanh làm ảnh hưởng đến các tính chất cảm quan của nước như độ trong, mùi vị

1.1.2 Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội

a, Nguồn thải từ sinh hoạt

Thành phần nitơ trong thức ăn của người và động vật được cơ thể hấp thu một phần, phần còn lại được thải ra dưới dạng chất rắn (phân) và các chất bài tiết khác (nước tiểu, mồ hôi)

Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước tắm, nước rửa rau, thịt, cá,… nước từ bể phốt, khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch, khu vui chơi giải trí Nước thải được dẫn vào hệ thống kênh rãnh Hợp chất nitơ trong nước thải là các hợp chất amoniac, protein,… hàm lượng nitơ thải qua nước tiểu lớn hơn trong phân khoảng 8 lần Các hợp chất nitơ trong nước tiểu bị thuỷ phân rất nhanh tạo thành

NH3/NH4+ Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước thải từ các bể phốt cao hơn so với các nguồn thải chưa qua phân huỷ yếm khí Trong nước thải sinh hoạt amoni chiếm 60-80% hàm lượng tổng nitơ, nồng độ N-tổng chiếm khoảng 15-20% của nồng độ BOD5 [1]

b, Nguồn thải từ nghành công nghiệp

Các ngành sản xuất công nghiệp liên quan tới các ngành chế biến thực phẩm, sản xuất phân bón, công nghiệp thuộc da,… Đặc biệt, ngành chế biến thực phẩm như ngành chế biến thuỷ hải sản, giết mổ và sản xuất thức ăn,… thải ra một lượng lớn amoni

Nước thải từ các xí nghiệp giết mổ: sản phẩm của các xí nghiệp, lò mổ

đông vật gồm có thịt, mỡ và các sản phẩm từ các nguyên liệu thô, một số phụ phẩm xương (chiếm 30 - 40%), nội tạng, da, lông,… của các loại gia súc (trâu, bò), gia cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng,…) Nước thải của các xí nghiệp giết mổ rất giàu các chất hữu cơ như NH4+

Nước thải của ngành công nghiệp thuộc da: thuộc da là ngành công

nghiệp làm cho da động vật (bò, trâu, lợn, thỏ,…) bền với nhiệt, không bị giòn, cứng, gẫy khi gặp lạnh, không bị nhăn hoặc thối giữa khi gặp ẩm Trong quá trình tách các chất từ da, một lượng lớn hợp chất chứa nitơ đã bị thải ra

Nước thải trong công nghiệp sản xuất các chế phẩm sinh học: Các chế

phẩm sinh học như axit amin, vitamin, enzym,… được sản xuất trên cơ sở tổng hợp vi sinh học và tổng hợp hoá học Nước thải của các xí nghiệp tổng hợp vi sinh học có nhiều các chất hữu cơ trong đó có ô nhiễm amoni Ngành chế biến

sữa, sản xuất bơ, pho mát, chế biến nấm, ươm tơ cũng thải ra một lượng nước thải đáng kể chứa hợp chất nitơ

c, Nguồn thải từ nghành nông nghiệp, chăn nuôi

Trong quá trình canh tác nông nghiệp, lượng phân bón sử dụng nhiều và không được cây trồng hấp thu hết dẫn đến ô nhiễm amoni Nguyên nhân do lượng phân urê khi bón cho lúa có thể bị mất mát tới 30 - 40% do bị rửa trôi, thấm vào đất hay bị phân huỷ ngoài môi trường Trong môi trường nước, urê dễ dàng bị thủy phân tạo thành amoniac và khí cacbonic:

CO (NH2)2 + H2O → CO2 + 2NH3 (1)

Mặt khác, nguồn nước thải phát sinh do chăn nuôi gia cầm, gia súc, chủ yếu là nước tắm rửa và vệ sinh chuồng trại Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ được chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước Nồng độ hợp chất nitơ trong khoảng 1500 - 15200 mg N/L [9] Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau

Đặc biệt trong ngành nuôi trồng thuỷ sản, phân tôm cá, thức ăn và chất bài tiết cũng làm tăng nồng độ hợp chất nitơ, nhất là khi phân và thức ăn thừa không được thu gom và tách ra khỏi nguồn nước nuôi kịp thời Hợp chất nitơ bị thuỷ phân thành amoniac và được tảo hấp thu

d, Nguồn thải từ nước rác

Rác thải sinh hoạt từ các đô thị, thành phố có khối lượng khá lớn Bình quân lượng rác thải theo đầu người là 0,6 - 0,8 kg/người/ngày Thành phần chủ yếu của rác thải là chất hữu cơ (rau, quả, thực vật,…) Thành phần hóa học trong nước thải thấm ra từ bãi rác sinh hoạt (chủ yếu chứa chất hữu cơ) phụ thuộc vào mức độ phân huỷ của rác, điều kiện thời tiết, độ ẩm và tuổi của bãi rác Thành phần hữu cơ có thành phần hóa học nitơ chiếm 0,5% Nước rác được tách ra khỏi bãi chôn và thường được gom về các hồ chứa trước khi được xử l

và thải ra môi trường Sự biến động về nồng độ các hợp chất nitơ trong nước thải

dưới sự tương tác của vi sinh vật, điều kiện vật l (gió, mưa, khô, hanh, nóng, lạnh,…) và thực vật là đối tượng đáng quan tâm khi đánh giá đặc trưng của nước rác

Đối với khu vực Hà Nội nhất là khu vực nghiên cứu, bị nhiễm Amoni có thể giải thích theo khía cạnh như sau [6]

Thứ nhất: Do cấu tạo địa chất và lịch sử hình thành địa tầng

Thành phố Hà Nội nằng trong vùng đồng bằng Bắc Bộ và một lịch sử địa chất lâu dài và phức tạp gắn liền với nền văn minh lúa nước của vùng châu thổ song Hồng Ở đây, xảy ra các quá trình xâm thực, xói mòn, và các hoạt động dòng chảy tạo ra sự bồi đắp phù sa Kết quả của những hoạt động địa chất này là

sự hình thành tầng chứa nước cuội sỏi Đệ Tứ, đây là nguồn nước chính được khai thác cung cấp nước sinh hoạt cho nội và ngoại thành Hà Nội Tầng Đệ Tứ bao gồm nhiều hệ kiến tạo với các loại trầm tích khác nhau về nguồn gốc, nhưng nhìn chung các tầng này đều có chứa các hạt bùn, than bùn, đất có lẫn các chất hữu cơ

Khả năng di chuyển chất bẩn vào tầng nước có liên quan chặt chẽ tới thành phần hạt Hạt càng thô tính lưu thông càng lớn, khả năng hấp phụ nhỏ, các chất bẩn di chuyển dễ dàng Hạt càng mịn ngược lại

Do quá trình khai thác nước ngầm đã kéo theo việc giải phóng các hợp chất Nito được phát sinh ngay từ trong lớp bùn cứa nhiều chất hữu cơ bị phân hủy, đây có thể là một trong những nguyên nhân làm cho hàm lượng amoni trong nước ngầm Hà Nội cao hơn so với các vùng khác

Thứ 2: Do sự tồn tại của nguồn ô nhiễm ở phía trên mặt đất

Tình trạng khoan khai thác nước một cách tùy tiện của tư nhân hiện nay rất phổ biến Giếng được khoan có độ sâu 25-30m là nguồn gốc tạo ra các cửa sổ địa chất thủy văn đưa các chất nhiễm bẩn xuống nước ngầm Ngoài ra, việc khai thác nước lưu lượng lớn mà lượng nước mới không kịp bổ cập và đã tạo ra các phễu hạ thấp mực nước, điều này cũng góp phần làm cho chất bẩn xâm nhập nhanh hơn

Để bù đắp nguồn nước ngầm bị khai thác, quá trình xâm thực tự nhiên được đẩy mạnh, nước ngầm được bổ xung bằng quá trình thấm từ nguồn nước mặt xuống Đây chính là nguyên nhân của sự gia tang nồng độ các chất ô nhiễm trong nước ngầm bởi các loại hợp chất có nguồn gốc nhân tạo

Thứ 3: Do điều kiện thủy văn thuận lợi cho sự xâm nhập các chất bẩn

Do bề dày tầng sét cách nước Qb (nằm dưới tầng nước ngầm mạch nông

QC và trên tầng nước ngầm mạch sâu QA) ở vùng ven sông Hồng gần xã Thụy Phú, Hồng Thái huyện Phú Xuyên; để tạo nên các cửa sổ các cửa sổ địa chất thủy văn Tại đây, tầng chứa nước Qc nằm trực tiếp trên tầng chứa Qa, tạo điều kiện thuận lợi cho các chất ô nhiễm ở trên mặt đất xâm nhập vào tầng chứa nước dưới đất thông qua các cửa sổ địa chất thủy văn của vùng

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ AMONI ÁP DỤNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

1.2.1 Phư ng pháp hóa l

1.2.1.2 Clo hoá tới điểm nhảy

Clo gần như là hoá chất duy nhất có khả năng oxy hoá amoni/amoniac ở nhiệt độ phòng thành N2 Khi hoà tan Clo hoặc các hợp chất Clo trong nước, tuỳ theo pH của nước mà clo có thể nằm ở dạng HClO hay ClO- theo phương trình[2]:

Cl2 + H2O (pH<5) HCl + HClO (pH<7)H+ + ClO (pH>8) (2) Khi trong nước có NH4+ sẽ xảy ra các phản ứng sau:

HClO + NH3 = H2O + NH2Cl Monocloramin (3) HClO + NH2Cl = H2O + NH2Cl Dicloramin (4)

lệ 8:1 hoặc hơn để oxy hoá hết NH4+

Những nghiên cứu trước đây cho thấy, tốc độ phản ứng của clo với hữu cơ bằng một nửa so với phản ứng với amoni Khi amoni phản ứng gần hết, clo dư sẽ phản ứng với các chất hữu cơ có trong nước để hình thành nhiều chất cơ clo có mùi đặc trưng khó chịu, trong đó khoảng 15% là các hợp chất nhóm THM-Trihalometan và HAA-axit acetic halogen hoá đều là các chất có khả năng gây ung thư và bị hạn chế nồng độ nghiêm ngặt

Ngoài ra, với lượng clo cần dùng rất lớn, vấn đề an toàn trở nên khó giải quyết đối với các nhà máy lớn Đây cũng là những l do làm cho phương pháp clo hoá mặc dù rất đơn giản và rẻ tiền về mặt thiết bị và xây dựng cơ bản nhưng rất khó áp dụng

1.2.1.2 Phương pháp thổi khí ở pH cao

Amoni tồn tại trong nước dưới dạng cân bằng:

NH4+  NH3 (khí hoà tan)+ H+ (7) với pKa = 9,5

Như vậy, ở pH gần 7 chỉ có một lượng nhỏ NH3 khí so với amoni Nếu ta nâng pH tới 9,5 tỷ lệ [NH3/NH4+] = 1, và càng tăng pH cân bằng càng chuyển về phía tạo thành NH3 Khi đó nếu áp dụng các kỹ thuật sục hoặc thổi khí thì NH3

sẽ bay hơi theo định luật Henry, làm cân bằng chuyển về phía phải:

1.2.1.3 Phương pháp trao đổi ion

Là quá trình trong đó một số ion trong dung dịch cần loại bỏ thế chỗ cho một số ion loại khác trên các chất mang nhồi trong cột lọc Có hai loại nhựa ion trao đổi là nhựa tự nhiên và nhân tạo Nhựa nhân tạo được sử dụng bền hơn nhựa

tự nhiên Lượng nhựa sau một thời gian sử dụng có thể tái sinh Một vài loại nhựa tự nhiên cũng được sử dụng để loại bỏ amoni trong nước như clinoptiolite

Ái lực của clinoptiolite với NH4+ mạnh hơn các loại nhựa khác, có khả năng chọn lọc cao đối với amoni và giá thành tương đối thấp Một trong những đặc điểm của loại zeolit tự nhiên clinoptiolite là dễ tái sinh Khi hết ái lực, nó có thể tái sinh bằng Ca(OH)2, lúc đó NH4+ được loại bỏ khỏi clinoptiolite và bay ra

dưới dạng khí [1]

1.2.2 Phư ng pháp sinh học

Để xử l amoni trong nước cấp cũng như trong nước thải người ta có thể

sử dụng phương pháp vật l , hóa học và hóa học nhưng xu hướng ngày nay con người thường sử dụng phương pháp sinh học cho các hệ xử l nói chung bởi những tính năng ưu việt mà phương pháp này mang lại Trong rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã chứng minh xử l bằng phương pháp sinh học đã mang lại cho con người những lợi điểm như sau: hiệu suất xử l đạt rất cao có thể là 90-99% [10], ít sử dụng hóa chất, chi phí năng lượng cho một đợn vị xử l thấp

so với các phương pháp khác và do những ưu điểm trên nên phương pháp sinh học mang tính kinh tế rất cao Thực ra, tính quan trọng của phương pháp sinh học xuất phát từ những tính năng của nó như xử l dễ dàng các sản phẩm trong nước, không gây ô nhiễm thứ cấp đồng thời cho ra sản phẩm nước với một chất lượng đảm bảo sạch về mặt hóa chất độc hại và ổn định về mặt tính sinh học, chất lượng cao (cả về mui, vị, tính ăn mòn) Trong phương pháp này, amoni sẽ bị chuyển thành nito nhờ hoạt tính của vi sinh vật tự nhiên Trong quá trình xử l vi sinh sẽ được tạo các điều kiện về dinh dưỡng cũng như các yếu tố khác để có thể đạt được hoạt tính cao nhất Ở phương pháp sinh học có thể thực hiện bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hóa và khử nitrat hóa như sau:

* Các quá trình chuyển hoá amoni

Sự chuyển hoá các hợp chất amoni trong nước nhờ vi sinh vật bao gồm hai quá trình nối tiếp là nitrat hoá và khử nitrat hoá

a, Quá trình nitrat hoá

Oxy hoá amoni với tác nhân oxy hoá là oxy phân tử còn có tên gọi là

nitrat hoá, được hai loại vi sinh vật thực hiện kế tiếp nhau:

NH4+ + 1,5O2 NO2 - + 2H+ + H2O (14)

NO2 - + 0,5 O2 NO3 - (15) Phản ứng (14), (15) được thực hiện do chủng vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrobacter Phản ứng (14), (15) chỉ mô tả phản ứng tỷ lượng của amoni với oxy

do vi sinh vật thực hiện nhằm sản xuất năng lượng để duy trì sự sống và phát triển Nitrosomonas và Nitrobacter thuộc loại sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng nguồn carbon vô cơ (chủ yếu là HCO3– và CO2) cùng với các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng…) để xây dựng tế bào Thành phần nitơ ưa chuộng nhất để xây dựng tế bào là amoni Thành phần oxy trong tế bào (C5H7O2N) được lấy từ CO2hoặc HCO3- Nếu lấy hiệu suất sinh khối của cả hai loại vi sinh trên là 0,17 g/g

NO3--N tạo thành thì phản ứng tổng thể của quá trình oxy hoá amoni thành nitrat

sẽ là:

1,02NH4+ + 1,5O2 + 2,02HCO3- 0,02C5H7O2N+1,06H2O + 1,92H2CO3 (16)

Oxy hoá amoni gồm hai phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hoá của cả quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ chậm hơn Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn so với loại Nitrobacter và vì vậy nồng độ nitrit thường rất thấp trong giai đoạn ổn định, chứng tỏ rằng giai đoạn oxy hoá từ amoni thành nitrit là bước quyết định tốc độ phản ứng oxy hoá đối với một hệ xử l hoat động bình thường Vì l do đó, trong khi tính toán theo mô hình động học người ta chỉ sử dụng các thông số liên quan đến loại vi sinh Nitrosomonas đặc trưng cho quá trình oxy hoá amoni

Tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng tuân theo quy luật động học Monod đối với từng yếu tố ảnh hưởng hay đối với từng loại cơ chất cần thiết cho

vi sinh vật Hai yếu tố (cơ chất) có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh tự dưỡng là nồng độ amoni và oxy hoà tan, chúng tác động lên tốc độ sinh trưởng của vi sinh theo dạng quy luật hàm Monod [1]:

N

N m

K DO

DO K

S

S



b, Quá trình khử nitrat

Nitrat - sản phẩm cuối cùng của quá trình oxy hoá amoni chưa được xem

là bền vững và còn gây độc cho môi trường nên cần được tiếp tục chuyển hoá về dạng khí nitơ, tức là thực hiện một quá trình khử hoá học, chuyển hoá trị của nitơ

sử dụng oxy hoặc nitrat, nitrit làm chất oxy hoá (nhận điện tử trong các phản ứng sinh hoá) để sản xuất năng lượng

Quá trình khử nitrat thường được nhận dạng là khử nitrat yếm khí, tuy nhiên diễn biến quá trình sinh hoá không phải là quá trình lên men yếm khí mà

nó giống quá trình hô hấp hiếu khí nhưng thay vì sử dụng oxy, vi sinh vật sử dụng nitrat, nitrit khi môi trường không có oxy Vì vậy quá trình khử nitrat xảy

ra chỉ trong điều kiện thiếu khí oxy Sự khác biệt giữa quá trình hiếu khí và thiếu khí là loại enzym tham gia vào giai đoạn vận chuyển điện tử cho hợp chất nitơ ở bước cuối cùng trong cả chuỗi phản ứng (reductas enzym)

Để khử nitrat, vi sinh vật cần có chất khử (nitrat là chất oxy hoá), chất khử

có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ như H2S, S, Fe2+ Phần lớn vi sinh vật nhóm khử nitrat thuộc loại dị dưỡng, sử dụng nguồn carbon hữu cơ để xây dựng tế bào ngoài phần sử dụng cho phản ứng nitrat Rất ít vi sinh vật khử Nitrat thuộc loại

tự dưỡng, ví dụ loại Thiobacillius Denitrificant sử dụng lưu huỳnh làm chất khử

để sản xuất năng lượng và sử dụng nguồn carbon vô cơ (CO2, HCO3- ) để xây dựng tế bào

Phản ứng khử nitrat với chất hữu cơ là metanol hay axit axetic xảy ra theo phương trình sau:

6NO3- + 5CH3OH  3N2 + 7H2O + 6OH- (19)

8NO3- + 5CH3COOH  4N2 + 10CO2 + 8OH- (20) Nếu sử dụng một chất hữu cơ nào đó từ nguồn nước thải với công thức chung là C18H19O9N thì quá trình khử nitrat xảy ra:

Sử dụng metanol làm chất cho điện tử của quá trình khử nitrat và nitrit cùng với tổng hợp tế bào sẽ thu được:

khi nguồn nitơ tổng hợp tế bào là amoni

1.2.2.1 Phư ng pháp lọc nhỏ giọt [1]

Một cột lọc sinh học chỉ hoạt động có hiệu quả khi đáp ứng được các tiêu chí:

+ Vi sinh vật phải được cố định (bám) trên chất mang với mật độ cần thiết

do quá trình xử l đòi hỏi

+ Tiếp xúc tốt giữa nước thải chứa cơ chất và màng vi sinh vật bám trên chất mang

+ Kiểm soát được sự phát triển của màng vi sinh sao cho không để xảy ra hiện tượng bị tắc hoặc bị rửa trôi

+ Cung cấp đủ oxy cho nước để đáp ứng nhu cầu cho phản ứng xảy ra trong màng

Hệ phản ứng lọc nhỏ giọt bao gồm ba pha: chất rắn (màng vi sinh bám trên chất mang), nước chứa cơ chất cần xử l và khí (khoang rỗng của tầng chất rắn)

Tầng lọc chất rắn là tầng cố định, thường là vật liệu bằng đá với kích thước 5-20 cm với chiều cao từ 1,2-2,5 m (thường là 1,8 m) hoặc vật liệu nhựa với các kiểu cấu hình khác nhau, chiều cao của tầng lọc từ 4-12 m

Nước được phân tán thành các giọt nhỏ, phun đều lên toàn bộ tiết diện của cột lọc-trên bề mặt của chất mang và được thu lại ở dưới đáy của bể lọc Không khí thâm nhập vào bể lọc từ phía dưới đáy lên trên tạo ra dòng khá ổn định Biện pháp tăng cường dòng khí bằng các kỹ thuật cưỡng bức ít được sử dụng trong thực tế vì do sự chênh lệch nhiệt độ giữa tầng tĩnh, nước và không khí xung quanh tạo điều kiện cho quá trình tối ưu (tự nhiên) của không khí diễn ra thuận lợi, đủ khả năng cấp khí cho phản ứng xảy ra Cấp khí cưỡng bức chỉ thực hiện khi nồng độ cơ chất quá cao, kích thước vật liệu mang nhỏ

Lọc nhỏ giọt có hiệu quả cao về phương diện cố định vi sinh vật, khả năng tiếp xúc giữa nước và màng vi sinh và khả năng hấp thu oxy của nước

1.2.2.2 Phương pháp lọc sinh học kiểu lớp vật liệu mang vi sinh ngập nước

Đặc điểm: vật liệu lọc nằm ở phía dưới lớp mặt nước, vật liệu lọc được cố định thành tầng lọc hoặc có khả năng dịch chuyển

Đối với tầng lọc cố định, chiều của dòng khí được bố trí chảy ngược từ dưới lên, chiều của dòng nước có thể cùng hoặc ngược chiều với dòng khí, nước sau khi qua cột có thể có hoặc không được hồi lưu trở lại cột

Chỉ tiêu quan trọng khi thiết kế là kiểm soát được độ dày của màng vi sinh

và cấp oxy cho cột lọc

Độ dày của màng vi sinh liên quan đến hiện tượng tắc cột lọc và giải pháp phòng tránh sẽ là: tạo không gian rỗng giữa vật liệu đủ lớn hoặc áp dụng chế độ

thuỷ lực đủ để màng vi sinh phát triển không quá dày Một hệ lọc như vậy sẽ có diện tích tiếp xúc thấp hoặc quy mô thiết bị lớn

Lọc qua tầng cố định áp dụng để xử l BOD, thực hiện quá trình nitrat hoá

và khử nitrat 21

Tầng lọc không cố định được chia thành hai dạng: giãn nở và lưu thể Tầng giãn nở sử dụng vật liệu có kích thước không lớn, chiều của dòng nước và khí đều hướng lên Trong trạng thái không hoạt động, tầng lọc có tính năng của một tầng tĩnh Khi hoạt động dưới áp lực của dòng khí, dòng nước hướng ngược làm giãn nở thể tích của tầng lọc, tăng hơn so với trạng thái tĩnh khoảng 30-40% Vật liệu lọc (cát) bị mất tiếp xúc với nhau, các hạt lọc có thể dịch chuyển ở một mức độ nào đó Do va chạm lẫn nhau nên màng vi sinh bám trên chất mang bị hao mòn Kinh nghiệm hiện tại cho phép tính toán được quá trình kiểm soát độ dày của lớp màng vi sinh trong thực tế

Kỹ thuật phản ứng dạng lưu thể có hiệu suất xử l tính theo thể tích cao nhất so với các kỹ thuật khác với mật độ sinh khối hữu hiệu có thể đến 40 kg/m3 Tuy vậy, vận hành hệ thống hoàn toàn không đơn giản và kinh nghiệm thiết kế cũng như vận hành được tích luỹ chưa nhiều Tuy nhiên tiềm năng sử dụng của

kỹ thuật này rất lớn là điều không nghi ngờ [1]

1.2.2.3 Phương pháp lọc chậm

Hiệu suất khử tạp chất của các bể lọc chậm được tổng hợp từ các cơ chế làm sạch khác nhau như cơ chế sàng, cơ chế lắng, cơ chế hấp phụ, cơ chế hoạt hoá và cơ chế sinh hoá [5]

Cơ chế sàng:

Quá trình tách các hạt cặn lơ lửng có kích thước lớn hơn kích thước mao quản của vật liệu lọc được thực hiện bằng cơ chế sàng, các hạt rắn lơ lửng được giữ lại trên bề mặt vật liệu lọc Khi xảy ra hiện tượng bắc cầu giữa các hạt lơ lửng trong các lỗ mao quản cũng có thể giữ lại các hạt có kích thước nhỏ Quá trình chuyển động của các phần tử lơ lửng trong mao quản của vật liệu lọc làm cho các hạt có kích thước nhỏ tiếp xúc và liên kết với nhau tạo thành bông keo to

hơn Các bông keo này được giữ lại sâu trong các lỗ mao quản, làm cho tiết diện

tự do của mao quản nhỏ dần đi và hiệu suất cơ chế sàng sẽ tăng lên theo thời gian [10]

Cơ chế lắng: Các phần tử lơ lửng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc theo

nguyên l giống như quá trình lắng trong bể lắng, tuy nhiên khi lắng trong bể lắng, các phần tử lắng xuống đáy bể, còn ở đây chúng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc

Cơ chế hấp phụ: Lực hấp phụ chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa các

hạt lơ lửng trong nước và bề mặt hấp phụ rất nhỏ, do đó cơ chế hấp phụ chỉ có tác dụng khi các cơ chế khác đã đưa hạt bẩn cần tách trong nước đến tiếp cận với

bề mặt vật liệu lọc

Cơ chế hoạt hoá: Cơ chế này biến các chất bẩn hoà tan trong nước thành

các chất đơn giản và vô hại, hoặc là làm sao cho chúng tạo thành những hợp chất không tan để có thể tách chúng ra nhờ cỏ chế sàng, lắng, hấp phụ

Khi trong nước có oxy hoà tan, các chất hữu cơ có thể bị phân huỷ hiếu khí trong phản ứng sau:

H+ + HCO3-  H2O + CO2 (12) Các phản ứng trên chỉ xảy ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc, nơi ở đó có mặt chất xúc tác hoặc vi khuẩn cần thiết cho quá trình chuyển hoá

Cơ chế sinh học: Với mục đích khử sắt, mangan và các chất hữu cơ trong

nước, người ta cấy các vi khuẩn lên lớp bề mặt vật liệu lọc để chúng trở thành tác nhân cho quá trinh khử các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong nước Các chất hữu cơ và vô cơ trong nước một phần trở thành thức ăn cho vi khuẩn, cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động và một phần chuyển hoá vào tế bào để cho

chúng phát triển Trong quá trình chuyển hoá các chất nói trên, nhờ vi khuẩn mà các chất hữu cơ bị phân huỷ dần, ví dụ amoni chuyển hoá thành nitrit rồi sau đó thành nitrat, các chất khác chuyển hoá thành các chất vô cơ vô hại như nước,

CO2, NO2-, photphat Sản phẩm của quá trình đi theo nước lọc cùng với một phần các vi khuẩn bị phân huỷ, có phần được khoáng hoá

1.2.2.4 Phương pháp ozon hóa với xúc tác Bromua (Br

-)

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp clo hóa điểm đột biến người ta

có thể thay thế một tác nhân oxy hóa khác là ozon với sự có mặt của Br- Về cơ bản

xử l NH4+ bằng O3 với sự có mặt của Br- cũng diễn ra theo cơ chế giống như phương pháp xử l dùng clo Dưới tác dụng của O3, Br- bị oxi hóa thành BrO- theo phản ứng sau đây

được tiêu chuẩn NH4+ cho phép Đòi hỏi người vận hành có kỹ năng thành thạo

Trao

đổi ion

Có thể đạt tổng lượng N tiêu chuẩn

Dùng cho sản phẩm đòi hỏi chất

lượng cao Dễ kiểm soát sản phẩm

Chất hữu cơ có thể gây kết dính nhựa Nồng độ NH4+ cao có thể làm giảm hiệu quả hiệu quả loại

bỏ NH4+ Đầu vào cần được lọc thường xuyên tránh tắc cột Tái sinh cột yêu cầu thiết bị phụ trợ khác như máy thổi khí Chi phí đầu tư và vận hành cao Cần kỹ năng vận hành cao

cấp vôi để loại photpho

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Vấn đề xử l N-amoni trong nước nhất là nước cấp những năm gần đây đang được quan tâm rất mạnh mẽ ở Việt Nam Những nghiên cứu xung quanh

vấn đề chất lượng nước cấp và cải thiện công nghệ xử l nước ngầm để nâng cao chất lượng nước cấp ở Việt Nam chưa nhiều So với thế giới chúng ta bắt đầu chậm hơn khoảng 30 năm cả về khía cạnh nghiên cứu lẫn ứng dụng các các kĩ thuật xử l chất hữu cơ, amoni Các nghiên cứu mang tính bắt đầu và còn thưa thớt

Phần lớn các đề tài đều khẳng định có thể xử l được và xử l tốt amoni nhưng liên quan đến nước thải Đối với nước cấp các phương pháp trao đổi ion được đề xuát để xử l quy mô nhỏ Đề tài 01C-09/11-2000-2 đã thử nghiệm các phương pháp trao đổi ion, clo hóa, lọc sinh học thấy có kết quả khả quan, hiệu suất xử l NH3 có thể đạt tới 70-90% Ngoài các phương pháp trao đổi ion được

đề xuất để xử l quy mô nhỏ, các đề tài đều khẳng định phương pháp sinh học là định hướng chính cho quy mô lớn

Hiện trạng xử l amoni trong nước ngầm khu vực Hà Nội

Để xử l hoặc loại bỏ NH4+

trong nước sinh hoạt chúng ta có thể sử dụng một số giải pháp kỹ thuật như trao đổi ion, clo hóa, sục khí, phương pháp vi sinh được sử dụng có hiệu quả Phương pháp này có thể biến đổi NH4+

thành nito dạng khí hoặc chuyển hóa tới dạng nitrat đỡ độc hơn, ở Việt Nam đã có một số kết quả khả quan về phương pháp này ở quy mô (xử l 20-30 l/ngày)

Để đảm bảo chất lượng nước cấp, các tiêu chuẩn nhà nước về hàm lượng

NH4+ và NO3- trong các nguồn nước cũng như trong nước cấp rất ngặt nghèo (theo TC1329/BYT-2002, đối với nước cấp nồng độ NH4+ tối đa cho phép là 1,5mg/L, NO-3 là 50mg/l) Trong khi đó, Hà Nội nơi có hệ thống cấp nước thuộc loại tốt của Việt Nam, các số liệu về chất lượng của nước nguồn cũng như nước cấp về khía cạnh các hợp chất Nito cho thấy hàm lượng NH+

4 trong các nguồn nước của 3 nhà máy khu vực phía Nam Hà Nội là Tương Mai, Hạ Đình, Pháp Vân đều vượt giá trị cho phép, trong khi đó công nghệ xử l nước cấp của các nhà máy do công ty Kinh doanh nước sạch nước sạch Hà Nội mới chỉ xử l sắt, mangan trong nước ngầm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Những kỹ thuật thường được áp dụng là lọc sinh học ngập nước, lọc cát nhanh, lọc với lớp đệm mở rộng hoặc lọc với lớp vật liệu lọc là than hoạt tính

Những thông báo đầu tiên trong lĩnh vực này thuộc về người Anh [6] Họ

sử dụng bể lọc với vật liệu lọc là đá, dày 2m, tốc độ lọc 0,8-2.8 m/h để xử l nước sông Thames với nồng độ amoni 2-3 mg/l Do vật liệu lọc thô, không có hệ sục khí mà hệ chỉ đạt hiệu suất 80% chỉ sau một năm hoạt động, ngoài ra nhiệt

độ thấp và thiếu oxy cũng ảnh hưởng xấu đến hiệu quả xử l

Hệ lọc với lớp đệm mở rộng tỏ ra hiệu quả hơn nhiều Nhờ kết cấu hình chóp ngược, nước đi từ dưới lên, tốc độ nước dâng sẽ giảm dần và thấp nhất ở vùng thu nước hình trụ phía trên cùng, ở vùng giữa, sinh khối và vật liệu lọc sẽ

lơ lửng và quá trình xử l vi sinh xảy ra ở đây Vùng trên cùng là vùng có thiết diện chảy cao nhất ứng với tốc độ nước dâng thấp nhất cho phép sinh khối kết bông và rơi trở lại vùng phản ứng Bằng kết cấu này, người ta có thể nâng tốc độ lọc lên tới 6-30 m/h, thời gian lưu nước chỉ có 5-10 phút Hiệu quả xử l phụ thuộc nhiệt độ và tốc độ lọc và đạt tốc độ 20 -100% Theo tài liệu chúng tôi tham khảo, hiện tại một nhà máy ở Anh, một ở Đức áp dụng kỹ thuật này

Trong hệ lọc nhanh, nếu tạo điều kiện để vi khuẩn nitrat hoá tích luỹ cũng

có thể thực hiện quá trình nitrat hoá Tại Pháp, để thực hiện điều này người ta bổ sung lên bề mặt cát bể lọc nhanh 3-5 mm vật liệu lọc là pozzolana và sục khí vào

bể với cường độ 0,9 m3 không khí/h Ở Mỹ người ta hay dùng lớp vật liệu lọc thô, xốp với chiều dày tới 4m để thay lớp cát lọc thông thường [62]

Nếu áp dụng than hoạt tính làm vật liệu lọc thì quá trình xảy ra còn tốt hơn Ví dụ, Jekel thông báo kết quả nitrat hóa hoàn toàn khi nước ozon hóa qua bồn than hạt – GAC với tốc độ 10m/h ứng với thời gian lưu tính cho cột rỗng chỉ

15 phút Rice và ctv Giới thiệu nhà máy nước La Chapelle ở Pháp sử dụng công nghệ nitrat hóa với dây chuyền ozon (0,7mg/l, t-3 phút) –c nhanh (4,84 m/h, cát 1mm dày 1m) – lọc GAC (tốc độ 4,84 m/h, lớp GAC 0,75m) Hiệu suất xử l

78% với nồng độ amoni đầu ra là 0,3mg/l, ngoài ra tác giả cũng thông báo khả năng xử l đồng thời Mn trên hệ này [42]

Cuốn sổ tay xử l nước [12] cũng cung cấp các thông số cơ bản của quá trình nitrat hóa, đề nitrat hóa vi sinh, ví dụ, tốc độ phát triển của nitrobacto và nitrosomonas (µ=0,03 và 0,08 h-1)

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đánh giá hiệu quả quá loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc AquazuV trong quá trình xử l nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên – Hà Nội

2.1.1 Vị trí địa l khu vực nghiên cứu

Khu vực dự án nằm trên địa bàn 5 xã Hồng Thái, Thụy Phú, Nam Triều, Văn Nhân, Nam Phong, huyện Phú Xuyên, thành phố Hà Nội Có vị trí địa l như sau:

- Phía Đông giáp Sông Hồng

- Phía Nam giáp xã Khai Thái và Phúc Tiến

- Phía Tây giáp Thị Trấn Phú Xuyên

- Phía Bắc giáp thị trấn Phú Minh

Hình 2.1 Bản đồ khu vực nghiên cứu

2.1.2 Dân số và dự báo dân số khu vực nghiên cứu

Dân số: Cơ sở tính toán dự báo dân số trong tương lai được xác định trên

số dân hiện tại và tỷ lệ tăng dân số Tỷ lệ tăng dân số được có được thông qua công tác điều tra khảo sát xã hội học, tham khảo từ tỷ lệ tăng dân số thực tế trong những năm gần đây tại địa phương

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp dân số vùng nghiên cứu

Tên xã Số thôn

trong xã

Số hộ (Tháng 12/2011)

Số dân (Tháng 12/2011)

Số hộ nghèo (Tháng 12/2011)

Tỷ lệ nghèo

Tỷ lệ tăng dân số

Dự báo dân

số năm 2015(người)

Tỷ lệ tăng dân số

Dự báo dân

số năm

2020 (người)

thuật trong giai đoạn lập dự án đầu tư các dự án Cấp nước sạch trên địa bàn Hà Nội Theo đó, giai đoạn 1 (tới năm 2015) tỷ lệ dân số cấp nước là 90%; giai đoạn 2 (tới năm 2020) tỷ lệ dân số cấp nước là 100%

Bảng 2.3 Bảng dự báo dân số

Tên xã

Tỷ lệ dân số được sử dụng nước sạch

Dự báo dân

số được cấp nước sạch

Tỷ lệ dân số được sử dụng nước sạch

Dự báo dân

số được cấp nước sạch

Xác định nhu cầu dùng nước và công xuất trạm xử l

Bảng 2.4 Bảng Tổng hợp nhu cầu dùng nước

Giai đoạn

1 (Đến 2015)

Giai đoạn

2 (Đến 2020)

I Dân số

II Tiêu chuẩn cấp nước

2 - Tiêu chuẩn cấp nước cho công cộng,

3 - Tiêu chuẩn cấp nước cho hao hụt, rò rỉ:

STT Đối tượng dùng nước Đ n vị Giai đoạn

1 (Đến 2015)

Giai đoạn

2 (Đến 2020)

4 - Tiêu chuẩn cấp nước cho bản thân

III Nhu cầu sử dụng nước

1 - Nhu cầu dùng nước cho sinh hoạt QSH m3/ngđ 2.656 3.822

2 - Nhu cầu nước cho Công cộng, dịch vụ

(q1):

m3/ngđ

3 - Nhu cầu nước cho hao hụt, rò rỉ (q2): m3/ngđ 292,2 420

4 - Nhu cầu nước cho bản thân TXL (q3): m3/ngđ 321,4 463

5 Tổng nhu cầu dùng nước trong ngày

-Tổng lưu lượng nước tính toán trong

ngày dùng nước nhiều nhất Qngày.max

Kết luận về công suất trạm xử l :

- Giai đoạn 1(Đến 2015): Công suất thiết kế trạm xử l là 5.000 m3/ngđ

- Giai đoạn 2(Đến 2020): Công suất thiết kế trạm xử l là 7.200 m3/ngđ

2.1.3 Chất lượng nước nguồn vùng dự án

Cơ sở để đưa ra đề xuất kỹ thuật chính là kết quả khoan thăm dò và phân tích chất lượng nước nguồn

Bảng 2.5 Chất lượng nước ngầm theo QCVN 01:2009 /BYT

tính

Kết quả phân tích

Quy chuẩn 01:2009/BYT (Giá trị giới hạn)

2.1.4.1 Hiện trạng công nghệ xử lý nước ngầm ở Việt Nam

Hiện nay đại đa số các nhà máy nước Việt Nam đều sử dụng dây chuyền công nghệ như sau để xử l nước ngầm [2]

Hình 2.2 S đồ công nghệ xử l nước ngầm tại Việt Nam

+ Công đoạn làm thoáng chủ yếu có tác dụng loại CO2 và các khí hoà tan, nâng pH, bão hoà oxy

Hiện nay ở Việt Nam áp dụng 3 kỹ thuật làm thoáng: dàn mưa cổ điển, dàn mưa tải trọng cao, và tháp làm thoáng cưỡng bức

+ Lắng tiếp xúc là công đoạn tạo điều kiện để thúc đẩy phản ứng oxy hoá Fe(II):

+ Lọc có chức năng loại bỏ cặn trong nước, một phần nhỏ Fe(II) nếu chưa oxy hoá hết ở công đoạn lắng tiếp xúc sẽ được oxy hoá tiếp ở đây, nếu pH đủ lớn những hệ lọc kiểu này có thể lọc được cả mangan, hoặc dùng cát lọc đã được phủ mangan

Phần lớn các nhà máy nước đều áp dụng bể lọc nhanh đơn lớp tự chảy, tốc

độ lọc khoảng 120 m3/m2.ngày, đôi khi sử dụng kỹ tuật lọc áp lực với tốc độ lọc nhanh hơn vài ba lần

+ Clo hoá có chức năng sát trùng và bảo vệ nước sau xử l , chống nhiễm

vi sinh thứ cấp trong quá trình chứa và phân phối tới người sử dụng

Phần lớn các nhà máy nước ở Việt Nam đều áp dụng kỹ thuật sát trùng bằng clo

ở mức xung quanh 1 mg/L

Làm thoáng

Lắng tiếp xúc

Lọc nhanh

Khử trùng

Công nghệ hiện tại nói chung chỉ xử l tốt sắt, mangan, còn amoni thì

không rõ hoặc không thể xử l được Trong thiết kế công nghệ của các nhà máy

nước ở Việt Nam hiện tại hoàn toàn không tính đến khả năng đối phó với các

nguy cơ nhiễm amoni

2.1.4.2 Công nghệ xử lý nước ngầm nhiễm NH 4 + bằng phương pháp lọc

AquazuV có bổ sung vật liệu mang vi sinh

Hình 2.3 S đồ công nghệ xử l nước ngầm bằng công nghệ AquazuV

Nhận xét: Có nhiều phương pháp để xử l amoni trong nước cấp, nhưng

xử l theo phương pháp sinh học ngày càng trở thành một nhân tố quan trọng

Phương pháp hoá l ngoài chi phí cao, vận hành phức tạp còn có nguy cơ tạo ra

những hợp chất độc hại không mong muốn Phương pháp lọc qua lớp vật liệu màng tuy chất lượng xử l tốt nhưng chi phí cao, giá thành đầu tư lớn, vận hành

phức tạp Phương pháp sinh học có chi phí thấp, vận hành đơn giản và ít tạo ra

các sản phẩm độc hại

Để lựa chọn một công nghệ trong thực tế, ngoài yếu tố hiệu quả xử l , yếu

tố kinh tế bao giờ cũng được đặt lên hàng đầu Một công nghệ có thể áp dụng

được hay không phụ thuộc rất nhiều vào hiệu quả kinh tế của nó Phương pháp

lọc AquazuV hầu như không cần bổ sung hoá chất, nên nhiều khả năng sẽ có

hiệu quả về mặt kinh tế Mặt khác, nếu nghiên cứu đạt hiệu quả xử l và áp dụng

GiÕng

TB giÕng

khoan

Th¸p lµm tho¸ng

BÓ trén + Ph¶n øng

PhÌn

BÓ l¾ng lamella

BÓ chøa n-íc s¹ch

Tr¹m b¬m cÊp 2 (sö dông biÕn tÇn)

M¹ng l-íi cÊp n-íc

Hé tiªu thô

Hè thu bïn S©n ph¬i bïn

tại vùng nghiên cứu thì rất nhiều công trình xử l nước cấp khác, hàm lượng amoni của nước ngầm nguồn đầu vào không cần thay đổi công nghệ cũ mà chỉ có một thay đổi nhỏ ở bể lọc cát (đã nêu trong phần lời nói đầu) và bổ sung vi sinh

trên lớp vật liệu mang Vì những l do đó chúng tôi đã chọn đề tài: “Nghiên

cứu đánh giá hiệu quả quá trình loại bỏ amoni bằng công nghệ lọc Aquazu V trong quá trình xử lý nước sạch cấp cho khu vực nông thôn phía Nam huyện Phú Xuyên - TP Hà Nội” để thực hiện luận văn này

Mặt khác, do nồng độ Amoni trong nước ngầm khu vực nghiên cứu thấp hơn 10 mg/l do đó quá trình loại bỏ amoni chỉ cần công đoạn nitrat hóa mà không cần quá trình khử nitrat Vì vậy cần xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa như sau:

- Ảnh hưởng của pH và nhiệt độ đến quá trình Nitrat hóa

Thực nghiệm cho thấy khoảng pH tối ưu khá rộng và dao động xung quanh giá trị pH = 8 (6-10) [62] Khi thí nghiệm xác định pH tối ưu cần lưu khả năng thích nghi của vi khuẩn, vậy các phép đo phải được thực hiện ngay khi đưa vào môi trường pH mới Để hiểu rõ hơn nghiên cứu của Grady và Lim [52]

sẽ chứng minh cho thấy vi khuẩn nitrat hóa rất nhạy cảm với pH, đối với Nitrosomonas có dải pH tối thích từ 7,0 đến 8,0 Và đối với Nitrobacbacter từ 7,5 đến 8,0 Nhưng bên cạnh đó nghiên cứu của Skadsen và cộng sự (1996) lại cho thấy một số loài có thể thích hợp ở mức pH>9 [53] Tuy nhiên, Odell và cộng sự (1996) lại cho rằng còn rất nhiều yếu tố khác làm ảnh hưởng tới tồn tại

và phát triển của vi khuẩn nitrat và nghiên cứu của ông lại chỉ ra tằng pH thích hợp cho vi khuẩn này là từ 6,6 đến 9,7 [54]

Hình 2.4: Ảnh hưởng của pH tới vi khuẩn nitrat hóa

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả quá trình nitrat hóa bằng vi sinh Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ tối ưu nằm trong khoảng 15-27oC [46] nhưng có tác giả lại cho biết vùng nhiệt độ có thể nghiên cứu được lại nằm trong khoảng rất rộng từ 4-50oC [32] Nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm hoạt tính của

vi sinh và gây ức chế hoạt động và có khi gây chết vi sinh vật Tuy nhiên, do điều kiện về quy mô xử l cho nên trong quá trình vận hành không thể điều chỉnh nhiệt độ của nước đầu vào, thực tế nước nguồn tại phòng thí nghiệm khá

ổn định và nằm trong giới hạn thuận lợi cho hoạt động của toàn bộ hệ thống

- Ảnh hưởng của các chất độc tới sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa

So với các vi khuẩn dị dưỡng, các vi khuẩn tự dưỡng nitrat hóa nhạy cảm với nhiều kim loại nặng và hóa chất Số liệu về độc tính của một số chất cho ở bảng

Bảng 2.6 Số liệu về độc tính của một số chất Danh mục các chất ĐV (mg/l) Danh mục các chất ĐV (mg/l)