Nghiên cứu, ứng dụng mô hình lọc tái tuần hoàn nước thải khu ký túc xá trường đại học nông lâm bằng sét kabenlis 3

Dựa vào nguồn gốc hình thành và để tiện cho việc lựa chọn phương pháp, thiết kế các công trình xử lý, nước thải sinh hoạt được phân loại như sau: Nước thải không chứa phân, nước tiểu và

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH NÔNG LÂM KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỌC TÁI TUẦN HOÀN

NƯỚC THẢI KHU KÝ TÚC XÁ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

BẰNG SÉT KABENLIS 3

Mã số: T2016 – 21

Chủ nhiệm đề tài: ThS Hoàng Thị Lan Anh

Thái Nguyên, tháng 03 năm 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH NÔNG LÂM KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỌC TÁI TUẦN HOÀN

NƯỚC THẢI KHU KÝ TÚC XÁ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU VÀ ĐƠN VỊ

PHỐI HỢP CHÍNH

1 Đơn vị phối hợp

1 Viện Kỹ thuật và Công

nghệ môi trường

Số 3, ngõ 52/3 - Quan Nhân - Trung Hòa

- Cầu Giấy - Hà Nội

2 Thành viên tham gia nghiên cứu đề tài

1 ThS Dương Thị Minh Hòa Khoa Môi trường, Đại học Nông lâm

Thái Nguyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.1.1 Nước thải sinh hoạt 3

1.1.2 Thành phần nước thải sinh hoạt 3

1.1.3 Các biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt đang áp dụng 6

1.1.4 Tổng quan về các hạt vật chất lơ lửng trong nước và hợp chất keo đông tụ 7 1.2 Tổng quan tình hình ngoài nước 21

1.3 Keo đông tụ Kabenlis 22

1.4 Cách tiếp cận 23

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 24

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 24

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 24

2.3 Nội dung nghiên cứu 24

2.4 Phương pháp nghiên cứu 24

2.4.1 Phương pháp thu thập số liệu 24

2.4.2 Phương pháp phỏng vấn 25

2.4.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 25

2.4.4 Phương pháp thống kê xử lý số liệu 28

2.4.5 Phân tích mẫu 28

Chương 3: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐẠT ĐƯỢC 29

3.1 Hiện trạng nước thải sinh hoạt khu ký túc xá K1-K6 Đại học Nông lâm 29

3.2 Hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn trong xử lý nước thải bằng sét Kabenlis 3 31

3.2.1 Hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn trong xử lý nước thải bằng sét

Kabenlis 3 sau 6 giờ 31

3.2.2 Hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn trong xử lý nước thải bằng sét Kabenlis 3 sau 12 giờ 32

3.2.3 Hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn trong xử lý nước thải bằng sét Kabenlis 3 sau 18 giờ 34

3.2.4 Tổng hợp kết quả diễn biến hiệu suất xử lý của các chất ô nhiễm theo thời gian 35

3.2.5 Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm theo thời gian 36

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

Kết luận 41

Kiến nghị 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các vị trí lấy mẫu đánh giá hiện trạng môi trường 27

Bảng 3.1 Tổng lượng nước tiêu thụ và nước thải sinh hoạt cụ thể 29

Bảng 3.2 Kết quả phân tích hiện trạng mẫu nước thải khu KTX K1-K6 trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên 30

Bảng 3.3 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 6h 31

Bảng 3.4 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 12h 33

Bảng 3.5 Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 18h 34

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp diễn biến hiệu suất xử lý của các thông số ô nhiễm theo thời gian 35

Bảng 3.7 Hiệu quả xử lý BOD5 36

Bảng 3.8 Hiệu quả xử lý NO3- 37

Bảng 3.9 Hiệu quả xử lý PO43- 38

Bảng 3.10 Hiệu quả xử lý TSS 38

Bảng 3.11 Hiệu quả xử lý Coliform 39

DANH MỤC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Hình ảnh qua kính hiển vi của các cấp hạt trong nước thủy sản 9

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc hạt keo 11

Hình 1.3 Cơ chế của quá trình keo tụ 16

Sơ đồ 1: Hệ thống xử lý nước thải 25

Sơ đồ 2 Mô tả điều kiện bố trí thí nghiệm (mô hình được tiến hành trong điều kiện môi trường tự nhiên) 26

Biểu đồ 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sinh hoạt khu KTX K1-K6, ĐHNL 30

Hình 3.1 Hình ảnh Keo sét Kabenlis 31

Biểu đồ 3.2: Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt với thời gian lưu nước 6h 32

Biểu đồ 3.3: Kết quả xử lý nước thải sau thời gian lưu nước 12h 33

Biểu đồ 3.4: Kết quả xử lý nước thải với thời gian lưu nước 18h 34

Biểu đồ 3.5: Diễn biến hiệu suất xử lý của các thông số ô nhiễm theo thời gian 36

Biểu đồ 3.6: Hiệu quả xử lý BOD5 37

Biểu đồ 3.7: Hiệu quả xử lý Nitrat 37

Biểu đồ 3.8: Hiệu quả xử lý Phốtphat 38

Biểu đồ 3.9: Hiệu quả xử lý TSS 39

Biểu đồ 3.10: Hiệu quả xử lý Coliform 39

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

1 Thông tin chung

Tên đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình lọc tái tuần hoàn nước thải

khu ký túc xá trường đại học nông lâm bằng sét Kabenlis 3”

- Mã số: T2016 – 21

- Chủ nhiệm đề tài: Hoàng Thị Lan Anh

- Tel : 0978.066.998

- Cơ quan chủ trì đề tài: Khoa Môi Trường, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

- Cá nhân phối hợp thực hiện:

1 ThS Dương Thị Minh Hòa

- Thời gian thực hiện: 01/2016 đến tháng 12/2016

2 Mục tiêu

Xử lý tuần hoàn nước thải khu ký túc xá trường Đại học Nông lâm , tái sử dụng nước thải sinh hoạt vào các mục đích sử dụng khác

Từ các kết quả nghiên cứu trên sẽ là tiền đề để mở rộng các mô hình ứng

dụng chuyển giao trên toàn tỉnh Thái Nguyên và các tỉnh lân cận khác

3 Nội dung chính:

* Nội dung 1: Điều tra, đánh giá hiện trạng nước thải sinh hoạt khu ký túc

xá K1-K6 - Đại học Nông lâm

* Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn trong xử lý nước thải bằng sét Kabenlis 3

4 Kết quả nghiên cứu đã đạt được

5 Sản phẩm

a)Sản phẩm đào tạo: 01 báo cáo tốt nghiệp, thời gian hoàn thành tháng 06

năm 2016

b) Sản phẩm khoa học:

- Bài báo khoa học đăng tải trên Tạp chí trong hoặc ngoài nước: 01 bài,

thời gian hoàn thành tháng 12 năm 2016

- Báo cáo khoa học: 01 bài, thời gian hoàn thành tháng 12 năm 2016

c) Sản phẩm ứng dụng : Mô hình lọc

6 Hiệu quả và khả năng áp dụng: Có thể áp dụng tại các địa phương

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information

Research Project title: "Research and application of recirculating filter

wastewater model by Kabenlis 3 in dormitories at Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry"

- Code number: T2016 - 21

- Coodinator: Hoang Thi Lan Anh

Tel: 0978.066.998 Emai: lananh38@gmail.com

- Implementing Institution: Environmental Science, University of Agriculture and Forestry

* Contents 2: Evaluating the effectiveness of the model recirculation filter wastewater treatment by Kabenlis 3

- Scientific Report: 01 report, completion time December 2016

c) Applications: A recirculating filter wastewater model

5.Products: Model filtering

6 Effects and applicability: Applicable in localities

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết

Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên được thành lập năm 1970, hiện nay là một đơn vị thành viên của Đại học Thái Nguyên Trải qua 46 năm xây dựng và phát triển, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên trở thành một trung tâm đào tạo và chuyển giao khoa học - công nghệ hàng đầu Việt Nam về nông, lâm nghiệp, quản lý tài nguyên và môi trường cho các tỉnh trung du, miền núi phía Bắc Việt Nam Theo bảng xếp hạng mới nhất của Webometrics, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên được xếp hạng thứ 13 ở Việt Nam và hạng

Với khuôn viên rộng, thoáng mát ký túc xá trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã thu hút hàng nghìn sinh viên vào ở nội trú mỗi năm Tuy nhiên cùng

với sự tăng nhanh về số lượng sinh viên thì nhu cầu sinh hoạt ngày càng nhiều,

lượng nước thải sinh hoạt thải ra suối Nông Lâm chưa qua xử lý hoăc xử lý không triệt để đã khiến cho chất lượng môi trường nước khu KTX trở nên ô nhiễm trầm trọng

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, Chúng tôi đưa ra giải pháp “Nghiên

cứu, ứng dụng mô hình lọc tái tuần hoàn nước thải khu ký túc xá trường Đại học Nông lâm bằng sét Kabenlis 3” v ới mong muốn tái tuần hoàn lượng nước

thải và giúp bảo vệ môi trường cảnh quan trường học

Mục tiêu của đề tài

- Đánh giá hiện trạng nước thải sinh hoạt khu ký túc xá K trường Đại học Nông lâm

- Đánh giá hiệu quả của mô hình lọc tái tuần hoàn nước thải bằng Keo sét Kabenlis 3, Xác định thời gian lưu nước tối ưu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

1.1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người

Dựa vào nguồn gốc hình thành và để tiện cho việc lựa chọn phương pháp, thiết kế các công trình xử lý, nước thải sinh hoạt được phân loại như sau:

Nước thải không chứa phân, nước tiểu và các loại thực phẩm từ các thiết bị

vệ sinh như bồn tắm, chậu giặt, chậu rửa mặt Loại nước thải này chủ yếu chứa

chất lơ lửng, các chất tẩy rửa Nồng độ các chất hữu cơ trong loại nước thải này

thấp và thường khó phân huỷ sinh học Trong nước thải có nhiều tạp chất vô cơ

Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh Trong nước thải tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh và dễ gây mùi hôi thối Hàm lượng các chất hữu cơ (BOD) và các chất dinh dưỡng như nitơ, Photpho cao Các loại nước thải này thường gây nguy hại đến sức khoẻ và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nước mặt [9] Nước thải nhà bếp chứa dầu mỡ và phế thải thực phẩm từ nhà bếp, khu rửa bát Nước thải loại này có hàm lượng lớn các chất hữu cơ (BOD, COD) và các nguyên tố dinh dưỡng khác (nitơ và photpho)

Lượng nước thải sinh hoạt phát sinh dao động trong phạm vi rất lớn, phụ thuộc nhiều vào điều kiện từng khu vực, quy mô khu dân cư, mức sinh hoạt và các thói quen của người dân Ước tính khoảng 80% lượng nước được cấp cho

một người trở thành nước thải Tại Việt Nam, định mức cấp nước cho nông thôn

- thành thị là 80 - 120 lít/người/ngày (Lâm Minh Triết, 2008) [8]

1.1.2 Thành phần nước thải sinh hoạt

Thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt có thể tồn tại dưới dạng các chất hòa tan, chất không tan (cặn dễ lắng, cặn lơ lửng) và thành phần gồm: hữu

cơ (52%) chủ yếu là các cacbonhydrat (CHO) như đường, xenlulozơ; các chất dầu

mỡ (CHNO) như axit béo dễ bay hơi; các chất đạm (CHOSP) như là axit amin, amoni và ure (CHON)m và vô cơ (48%) Ngoài ra, còn một lượng lớn các loại vi

sinh vật là các là các vi rút, vi khuẩn gây bệnh Hai chỉ tiêu cơ bản, đặc trưng cho thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt là hàm lượng cặn lơ lửng (TSS) và nhu cầu oxy sinh học (BOD) (Trần Văn Nhân và cs, 1999) [5]

- Thông số vật lý

* Hàm lượng chất rắn lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng trong nước ((Total) Suspended Solids - (T)SS - SS)

có thể có bản chất là:

- Các chất vô cơ không tan ở dạng huyền phù (Phù sa, gỉ sét, bùn, hạt sét);

- Các chất hữu cơ không tan;

- Các vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, vi nấm, động vật nguyên sinh…)

Sự có mặt của các chất rắn lơ lửng cản trở hay tiêu tốn thêm nhiều hóa chất trong quá trình xử lý

* Mùi

Hợp chất gây mùi đặc trưng nhất là H2S mùi trứng thối Các hợp chất khác, chẳng hạn như indol, skatol, cadaverin và cercaptan được tạo thành dưới điều kiện yếm khí có thể gây ra những mùi khó chịu hơn cả H2S

* Độ màu

Màu của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc nhuộm

hoặc do các sản phẩm được tao ra từ các quá trình phân hủy các chất hữu cơ Đơn vị đo độ màu thông dụng là mgPt/L (thang đo Pt _Co)

Độ màu là một thông số thường mang tính chất cảm quan, có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái chung của nước thải

- Thông số hóa học

* Độ pH của nước

Độ pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nước

Độ pH của nước có liên quan dạng tồn tại của kim loại và khí hoà tan trong

nước.Độ pH có ảnh hưởng đến hiệu quả tất cả quá trình xử lý nước Độ pH có ảnh hưởng đến các quá trình trao chất diễn ra bên trong cơ thể sinh vật nước Do

vậy rất có ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trường (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[7]

* Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD)

COD là lượng oxy cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn

bộ các chất hoá học trong nước, trong khi đó BOD là lượng oxy cần thiết để oxy hoá một phần các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ bởi vi sinh vật

COD là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ nói chung và cùng với thông số BOD, giúp đánh giá phần ô nhiễm không phân hủy sinh học của nước từ đó có thể lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp

* Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand - BOD)

BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lượng oxy

cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ theo phản ứng:

Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm trung gian

Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan, vì vậy xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là phép đo quan trọng đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước BOD có ý nghĩa biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[7]

* Nitơ và các hợp chất chứa nitơ

Trong nước mặt cũng như nước ngầm nitơ tồn tại ở 3 dạng chính là: ion amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-) Dưới tác động của nhiều yếu tố hóa

lý và do hoạt động của một số sinh vật các dạng nitơ này chuyển hóa lẫn nhau, tích tụ lại trong nước ăn và có độc tính đối với con người Nếu sử dụng nước có

NO2- với hàm lượng vượt mức cho phép kéo dài, trẻ em và phụ nữ có thai có thể

mắc bệnh xanh da vì chất độc này cạnh tranh với hồng cầu để lấy oxy

* Photpho và các hợp chất chứa photpho

Trong các loại nước thải, Photpho hiện diện chủ yếu dưới các dạng phosphat Các hợp chất Phosphat được chia thành Phosphat vô cơ và Phosphat hữu cơ

Photpho là một chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết đối với sự phát triển của sinh vật Việc xác định Photpho tổng là một thông số đóng vai trò quan trọng để đảm bảo quá trình phát triển bình thường của các vi sinh vật trong các hệ thống

xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học

Photpho và các hợp chất chứa Photpho có liên quan chặt chẽ đến hiện

tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, do sự có mặt quá nhiều các chất này kích thích sự phát triển mạnh của tảo và vi khuẩn lam (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[7]

1.1.3 Các biện pháp xử lý nước thải sinh hoạt đang áp dụng

bộ tại chỗ tách các chất phân tán thô nhằm đảm bảo cho hệ thống thoát nước hoặc các công trình xử lý nước thải phía sau hoạt động ổn định

Phương pháp xử lý cơ học tách khỏi nước thải sinh hoạt khoảng 60% tạp chất không tan, tuy nhiên BOD trong nước thải giảm không đáng kể.Để tăng

cường quá trình xử lý cơ học, người ta làm thoáng nước thải sơ bộ trước khi lắng nên hiệu suất xử lý của các công trình cơ học có thể tăng đến 75% và BOD

* Biện pháp hóa lý

Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để loại bớt các chất ô nhiễm mà không thể dùng quá trình lắng ra khỏi nước thải Các công trình tiêu biểu của việc áp dụng

phương pháp hóa học bao gồm:

- Bể keo tụ, tạo bông

Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Tùy theo từng nhóm vi khuẩn

mà sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau

và phụ thuộc vào khả năng tài chính, diện tích đất mà người ta có thể sử dụng hồ sinh học hay các bể nhân tạo để xử lý

1.1.4 Tổng quan về các hạt vật chất lơ lửng trong nước và hợp chất keo đông tụ

1.1.4.1 Các hạt vật chất lơ lửng

a Nguồn gốc của các hạt lơ lửng trong nước

Nước tự nhiên có nhiều tạp chất lơ lửng, bao gồm 3 dạng chính: Vô cơ, hữu

cơ và các Vi sinh vật Để tồn tại lơ lửng được trong nước, kích thước của các hạt này thường rất nhỏ, theo một số nghiên cứu về kích thước của hạt lơ lửng giữa

một số tác giả không thống nhất Ðường kính hạt keo dao động từ 0,01 - 10 µm (1µm = 10-6 m) (Garrison Sposito) (Trần Hiếu Nhuệ, Lâm Minh Triết, 1978)[6],

hoặc nhỏ hơn 1 µm (Nyle C Brady, Ray R Well, Hinrich L Bohn, Brian L McNeal, George A O'connor)(Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 1999)[8], hoặc

nhỏ hơn 0,2 µm (A.E Vozbutskaia) hoặc bán kính nhỏ hơn 1 µm (Van Olphen

Do kích thước của keo nhỏ như thế nên chúng thường lơ lửng trong dung dịch,

có thể chui qua giấy lọc phổ thông và chỉ quan sát được cấu tạo của chúng bằng kính hiển vi điện tử

Nguồn gốc của các hạt lơ lửng này xuất phát từ hai quá trình chính là tự nhiên và nhân tạo Trong quá trình tự nhiên, cúng sinh ra từ sự phong hóa đá mẹ

và đất (dòng chảy) Khi lớp đất bề mặt bị bào mòn do mưa, gió…xuống các dòng

chảy tự nhiên, sẽ kéo theo các các dạng vô cơ, hữu cơ và xác vi sinh vật vào trong môi trường nước Khi đó các hạt có kích thước to sẽ lắng xuống trước, các hạt

nhỏ hơn sẽ bị giữ lại và tồn tại lơ lửng trong nước

Mỗi loại đất có đặc tính khác nhau, khi bị bào mòn vào trong nước sẽ có thành phần và tỉ lệ các hạt vật chất khác nhau Đối với sự phát sinh từ tự nhiên, chiếm chủ yếu đa phần là các hạt khoáng vật sét

Đối với các vật liệu hữu cơ chủ yếu xuất phát từ sự thoái hóa sinh học của thực vật và động vật

Không chỉ trong quá trình tự nhiên, các tạp chất trong nước cũng được phát sinh từ các hoạt động của con người đặc biệt là trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp Nuôi trồng thủy sản cũng là nguồn gây ra đáng kể các thành phần

của nước Các dạng vật chất khác nhau của hoạt động thủy sản được xem là các phân tử trong nước, nhưng người ta quan tâm nhiều hơn về các vi sinh vật đơn bào

b Đặc tính của các hạt vật chất lơ lửng trong nước

Các vật liệu hữu cơ còn được gọi là chất hữu cơ tự nhiên (NOM) Tuy nhiên kích thước của các phân tử có thể khá lớn và chúng có đặc điểm của các “hạt” Ví

dụ chất hữu cơ thông thường là các rác tế bào NOM trong nước thường được đo

bằng cacbon tổng số (TOC), và phần hòa tan trong nước được đo bởi cacbon hữu

cơ hòa tan (DOC) Phần lớn các DOC trong nước được biết đến là chất humic, nó đặc trưng cho than bùn màu sắc của nước tự nhiên( Lâm Minh Triết, 2008), [8] Trong nước tự nhiên, các sinh vật được phân loại theo sự gia tăng về kích thước bao gồm virus (mặc dù chúng không có tế bào), vi khuẩn, tảo (trong đó có

tảo cát), và động vật nguyên sinh Nhiều loại trong số này có thể tồn tại trong

nước hoặc là các tế bào đơn lẻ hoặc sống theo đàn Một số hạt trong vùng nước

tự nhiên được hiển thị trong hình 1 (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[7]:

Hình 1.1 Hình ảnh qua kính hiển vi của các cấp hạt trong nước thủy sản

a) Mẫu từ sông Tamar, Anh, b) Độ phóng đại to hiển vi lớn hơn,

(1) ,c) hạt sét và phân tử hydroxit sắt (độ phóng đại lớn hơn nhiều so với

a, b),d) vùng vi khuẩn

Vấn đề các dạng hòa tan và hạt keo là điều được quan tâm nhất, nước là

một dung môi tốt cho nhiều chất, đặc biệt là các muối vô cơ và các tạp chất hòa

tan Nồng độ tổng số của các tạp chất được gọi là Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[7]

Đối với dạng vật liệu vô cơ lơ lửng, khi đất bị bào mòn, các hạt keo này theo dòng chảy và tồn tại trong môi trường nước Tùy thuộc vào nguồn gốc xuất

xứ, thông thường các hạt cặn trong nước đều có thể mang điện tích âm hoặc

dương, ví dụ các hạt cặn gốc silic, các tạp chất hữu cơ đều mang điện tích âm, các hydroxit sắt, nhôm mang điện tích dương Khi thế cân bằng điện động của

nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết dính với nhau nhờ lực liên kết phân tử và lực điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do, các tổ hợp tạo thành được gọi là hạt keo Tùy thuộc vào thành phần cấu tạo, các hạt keo sẽ có những tính chất khác nhau Người ta có thể chia các hạt keo thành hai loại: keo kỵ nước và keo háo nước Trong kĩ thuật xử lí nước bằng quá trình keo tụ, keo kỵ nước đóng vai trò chủ đạo Ngoài ra, người ta còn phân loại theo các dạng sau:

- Keo phân tử là những phân tử lớn (polymer) tạo thành hạt keo

- Keo phân tán gồm nhiều phân tử phân tán (cát, đất sét) tạo thành hạt keo

- Keo liên kết gồm nhiều phân tử khác nhau liên kết với nhau tạo thành hạt keo Keo kỵ nước (hydropholic) không tan, phân chia thành các hạt nhỏ, không

ngậm dầu, nước Ví dụ, các kim loại như vàng, bạc, silic…

Keo ngậm nước (hydrophilic) có khả năng hấp phụ các phân tử nước Ví

dụ: vi trùng, vi rút, các polime hòa tan, lòng trắng trứng…

Keo kỵ nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất xúc tác như phèn nhôm, phèn sắt Ban đầu các phân tử mới hình thành liên kết lại với nhau thành các khối đồng nhất, ví dụ khi dùng phèn sắt, sau khi thủy phân sẽ tạo các khối liên kết gồm nhiều phân tử Fe(OH)3 Nhờ có diện tích bề mặt lớn, các khối này

có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion nào đó, hoặc có trong thành phần các ion của khối hoặc gần giống một trong các ion trong khối về tính chất và kích thước, tạo thành lớp vỏ bọc ion Lớp vở ion này cùng với khối phân tử bên trong

tạo thành hạt keo Bề mặt nhân keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt trên đó,

có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu để bù lại một phần điện tích Như vậy, quanh khối liên kết phân tử ban đầu có hai lớp ion mang điện tích trái dấu bao bọc, gọi là lớp điện tích kép của hạt keo Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thông thường không có đủ điện tích trung hòa với lớp điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định Để cân bằng điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở

trạng thái khuếch tán (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 1999)[5]

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc hạt keo

Nếu hạt keo ở trong trạng thái tĩnh thì điện tích của hạt được bù bởi lớp điện tích của lớp ion khuếch tán Do chuyển động Brown, lớp ion khuếch tán di chuyển đồng thời với hạt keo, bởi vì lực liên kết không bền vững Do đó, hạt keo trong điện tích luôn là hạt keo mang điện tích Từ hình 1 ta thấy, thế nhiệt động

φ trên bề mặt nhân keo bằng tổng điện tích các ion của lớp vỏ nhân, còn thế điện động ζ trên bề mặt hạt keo bằng tổng điện tích của lớp ion kép trên bề mặt ngoài

hạt keo Thế điện động ζ có giá trị nhỏ hơn thế nhiệt động φ một trị số bằng tổng điện tích của các ion trái dấu nằm trong lớp điện tích của các ion trái dấu nằm trong lớp điện tích kép

Theo một số nghiên cứu đưa ra giá trị thế điện động zeta và độ ổn định của các hạt keo trong môi trường như sau(Trần Hiếu Nhuệ, Lâm Minh Triết, 1978) [6]:

Trong pha phân tán keo, điện tích bề mặt của các hạt keo có ảnh hưởng rất lớn đến các ion bao quanh Các ion trái dấu bị thu hút về bề mặt và các đồng ion (các ion cùng loại điện tích) bị đẩy ra khỏi bề mặt Kết hợp hỗn hợp các xu hướng chuyển động nhiệt và hút hoặc đẩy ion lẫn nhau sẽ tạo ra một lớp trong của bề mặt

điện tích của hạt keo và một lớp ngoài có số đương lượng các ion trái dấu phân bố trong pha khuếch tán tạo ra lớp bề mặt điện tích kép

Theo Stern, tác giả phân chia lớp điện tích kép thành 2 lớp: Lớp điện tích kép Stern với các ion trái dấu hút nhau rất mạnh trên bề mặt hạt keo và lớp khuyếc tán, có bề dày phụ thuộc vào cường độ ion của dung dịch Điện thế bề

mặt giữa lớp ngoài của lớp Stern và lớp trong của lớp khuếch tán được gọi là thế điện động zeta Các lực hút và lực đẩy tĩnh điện được xem như là các lực phân tán hoặc lực London - Van der Walls tồn tại giữa các hạt keo Độ lớn của các lực này thay đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt và chúng độc lập với cường độ ion của nước Khả năng ổn định của các hạt keo là kết quả tổng hợp giữa lực hút và lực đẩy Nếu lực tổng hợp là lực hút thì xảy ra quá trình keo tụ (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 1999)[5]

c Ảnh hưởng của các hạt vật chất lơ lửng trong môi trường nước

Sự có mặt của các hạt vật chất trong nước có ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng nước trong đó chủ yếu là những ảnh hưởng mang tính bất lợi:

Trạng thái phân bố và di chuyển của các hạt có thể gây ra độ đục trong

nước, chỉ ở nồng độ rất nhỏ (vài mg/l) Không chỉ ảnh hưởng tới vấn đề mang tính thẩm mỹ nó còn gây hại cho sức khỏe của các loài động vật thủy sinh và con người Chúng có thể hấp phụ một số chất hòa tan trong nước ví dụ như chất humic và kim loại Điều này có tác động đáng kể tới sự vận chuyển của các hạt

hấp phụ bởi nó cũng di chuyển theo các hạt sét trong môi trường, gây ra hiện

tượng chúng có thể bị vận chuyển đến hồ sông hoặc trầm tích biển (Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, 1999)[5]

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng: Các chất keo và hạt sét có kích

thước phân cấp nhỏ (<2µm) bị cuốn vào trong nước có tác động mạnh mẽ tới

khả năng vận chuyển và khả dụng sinh học của kim loại và các hợp chất hữu cơ (Forstner và cộng sự, 2011; Wells và Goldberg, 1991,1993; Yuan và cộng sự 2001) (Lâm Vĩnh Sơn, 2009)[3] Trong môi trường nước, các hạt sét có hoạt động bề mặt và phản ứng với kim loại, hữu cơ cao đối với các từng khu vực cụ

thể Phản ứng của chúng với các thành phần khác nhau trong nước tự nhiên cũng

rất nhanh (Langmuir, 1997)(Trần Đức Hạ, 2006)[1]

Ngoài ra, kích thước bùn mịn và hạt sét chúng đóng góp lớn cho độ đục trong nước nhiều hơn so với những hạt kích thước lớn hơn (<75 µm) có thể lắng

xuống được và những hạt trầm tích (>75 µm) trong phân phối tổng thể kích

thước hạt (Gippel, 1995)(Trần Hiếu Nhuệ, 1992)[5] Độ đục lớn trong nước có thể gây hại đối với các động thực vật thủy sinh, chúng không có khả năng để sử dụng ánh sáng (Poole and Bowles, 1999)

1.1.4.2 Cơ chế của quá trình keo tụ

* Động lực học của quá trình keo tụ

Quá trình keo tụ các tạp chất trong nước xảy ra các giai đoạn sau: giai đoạn pha trộn các chất keo tụ trong nước, giai đoạn thủy phân chất keo tụ đồng

thời phá hủy trạng thái ổn định của hệ keo và giai đoạn hình thành bông cặn Khi hệ keo trong nước đã bị các chất keo tụ mất đi trạng thái ổn định của nó thì

tốc độ tạo bông keo quyết định bởi chuyển động tạo ra sự tiếp xúc giữa các hạt keo với nhau Quá trình tiếp xúc đạt được nhờ khuếch tán và chuyển động có

hướng Khuếch tán chỉ có tác dụng để hình thành bông keo nhỏ, muốn hình thành bông keo có kích thước lớn hơn thì phải có sự va chạm giữa chúng để tạo các bông lớn hơn

Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, với mỗi nguồn nước cụ thể, khi đã xác định được loại hóa chất sử dụng và liều lượng tối ưu thì hiệu quả keo

tụ chỉ còn phụ thuộc vào các yếu tố vật lí đó là cường độ khuấy trộn nước để làm tăng số lượng va chạm giữa các hạt cặn Dưới tác động của chuyển động nhiệt, ban đầu các hạt cặn kích thước nhỏ va chạm và kết dính tạo thành hạt có kích thước lớn hơn cho đến khi chúng không còn khả năng tham vào quá trình

tạo bông cặn lớn hơn Cường độ khuấy trộn được biểu thị bằng Gradien vận tốc

G và thời gian phản ứng tạo thành bông cặn Trong thực tế, hai đại lượng này

thường được xác định bằng thực nghiệm cho từng trường hợp cụ thể, chuyển động nhiệt, chuyển động phân tử Brown để tạo ra các bông cặn có kích thước nhỏ tuân theo định luật Smoluchowski như sau:

αo: hệ số va chạm của bông cặn kích thước lớn

Quan hệ trên chỉ đúng khi gradient vận tốc không đổi nhưng trong thực tế

phải lấy gradient vận tốc trung bình

Gradien vận tốc trung bình có thể tính theo năng lượng qua công thức :

Xuất phát từ động lực học, trong keo tụ bao gồm các cơ chế sau :

Hình 1.3 Cơ chế của quá trình keo tụ

a Cơ chế nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động zeta nhờ ion

trái dấu

Khi bổ sung các ion trái dấu vào nước với nồng độ cao, các ion sẽ chuyển

dịch từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép và làm tăng điện tích trong lớp điện tích kép, giảm thế điện động zeta và giảm lực tĩnh điện Mức giảm điện thế phụ thuộc vào nồng độ và hóa trị của ion trái dấu đưa vào Nồng độ và hóa trị của ion bổ sung càng cao, quá trình trung hòa điện tích càng nhanh, lực đẩy tĩnh điện càng giảm Đến một lúc nào đó, lực hút van der Walls thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo xích lại gần nhau, kết dính với nhau tạo thành bông keo tụ

Khi các muối kim loại như FeCl3.6H2O và Al2(SO4)3.16÷18 H2O được bổ sung vào nước với nồng độ đủ, nhôm hoặc sắt hydroxit được hình thành và tạo ra kết tủa Các hạt keo có mặt trong nước tác động như các hạt nhân để tạo ra kết tủa Cơ chế này được biết đến với tên gọi là “keo tụ nhanh”(Trần Văn Nhân, Ngô

Thị Nga, 1999)[5]

b Cơ chế hấp thụ - trung hòa điện tích

Ngoài cơ chế nén lớp điện tích kép nói trên, các hạt keo cũng hấp phụ lên bề mặt các ion dương trái dấu, đặc biệt là các ion tích điện cao được hấp phụ tạo nên