Nghiên cứu áp dụng các quy trình xử lý bậc cao để xửa lý nước nguồn bị ô nhiễm chất hữu cơ

DANH MỤC BẢNG BIỂUBảng 2.1 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước sông Sài Gòn vào các tháng giữa năm2007 Bảng 2.2 Diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn từ tháng 4/2008 – 6/2008 Bảng 2.3: Danh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -PHAN THỊ HẢI VÂN

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ BẬC CAO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC NGUỒN BỊ Ô NHIỄM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN PHƯỚC DÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS NGUYỄN QUỐC BÌNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 27 tháng 01 năm 2010

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

-oOo -Tp HCM, ngày 27 tháng 01 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: PHAN THỊ HẢI VÂN Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1984 Nơi sinh: Đăk Lăk

Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường MSHV: 02507658

1- TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu áp dụng các quá trình xử lý bậc cao để xử lý nước nguồn bị ô nhiễm chất hữu cơ

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng các mô hình oxi hóa bậc cao (AOPs): O3, O3+ H2O2,O3+ UV So sánh và lựa chọn phương án khả thi

Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng mô hình hấp phụ bằng than hoạt tính sinhhọc (BAC) tại các thời gian tiếp xúc vật liệu khác nhau

Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng mô hình kết hợp AOP-BAC, giảm thiểu quátrình hình thành các sản phẩm phụ khử trùng

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09/02/2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25/12/2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Phước Dân

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của Quý thầy cô Khoa Môi Trường - Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, các thầy cô ở Viện Tài nguyên và Môi trường, Viện Hóa học và Công nghệ và các bạn học viên sinh viên cùng làm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường.

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Phước Dân đã hết lòng hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận văn cao học này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và đồng nghiệp ở Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã quan tâm và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn đến TS Mai Tuấn Anh – Viện Môi trường và Tài nguyên, các anh chị ở Viện Hóa học và Công nghệ đã tận tình chỉ dẫn sử dụng các thiết bị trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên Khoa Môi trường K2004, K2005 đã nhiệt tình giúp đỡ và có những đóng góp lớn trong quá trình thực hiện thí nghiệm.

Cuối cùng, tôi xin chia sẻ niềm vinh dự này cùng gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua.

PHAN THỊ HẢI VÂN

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn gồm các nội dung chính sau:

 Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng các mô hình oxi hóa bậc cao(AOPs): O3, O3+ H2O2,O3+ UV So sánh và lựa chọn phương án khả thi

 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng mô hình hấp phụ bằngthan hoạt tính sinh học (BAC) trong hai trường hợp: không có AOPs, kết hợpvới AOPs

Dựa vào mức độ chuyển hóa chất hữu cơ (tỷ số BDOC/DOC) lựa chọn quá trìnhAOP để chạy kết hợp là mô hình O3+ UV

Kết quả nghiên cứu cho thấy, quá trình AOPs kết hợp với BAC thích hợp cho việcgiảm thiểu chất hữu cơ đối với nguồn nước thô, có khả năng ứng dụng cho các nhàmáy cấp nước Hiệu quả xử lý cao nhất đối với độ màu 83,2%, nồng độ TOC 30%

và DOC 38% Đồng thời hiệu quả xử lý các chất hữu cơ có vòng thơm trong môhình kết hợp cũng cao nhất thể hiện qua thông số UV254 (51%) và SUVA (26,7%).Việc giảm thông số UV254 và SUVA làm giảm thiểu sự hình thành của các sảnphẩm khử trùng đặc biệt là THMs và HAAs

This thesis contains the following contents:

 Research on removal organic matter in raw water by advanced oxidationprocesses (AOPs): O3, O3 + H2O2,O3+ UV Compare and select the suitableprocess

 Research on removal organic matter in raw water by biological activatedcarbon (BAC) in two cases: BAC alone and AOP-BAC

Depending on the ratio of BDOC/DOC to select the suitable AOP which combineswith BAC is O3+ UV

Results of research show that: AOP-BAC is suitable to reduce organic matter in rawwater and can be applied in water treatment plants The best effectively of thisprocess with color, TOC and DOC concentration is 83.2%, 30% and 38%,respectively Moreover, effectively of this process with aromaticity is indicated byreducing UV254 and SUVA is 51% and 26,7%, respectively Decreasing DOC,

UV254 and SUVA make to decrease formation of disinfection byproducts suchTHMs and HAAs

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

1.3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4 MÔ HÌNH THỰC HIỆN 2

1.5 PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4

2.1 HIỆN TRẠNG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN 4

2.2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH SẢN PHẨM PHỤ KHỬ TRÙNG 9

2.2.1 Các loại DBPs và các chất còn lại trong quá trình khử trùng 9

2.2.2 Sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng 11

2.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU 17

2.3.1 Quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs) 17

2.3.2 Oxi hóa bằng Ozone 20

2.3.3 Oxi hóa bằng Ozone + H2O2 21

2.3.4 Oxi hóa bằng Ozone + UV 24

2.3.5 Lọc bằng than hoạt tính sinh học (BAC) 25

2.3.6 Một số các nghiên cứu trên thế giới 37

2.3.7 Một số công nghệ thực tiễn xử lý TOC 41

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

3.1 VẬT LIỆU VÀ MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 44

3.1.1 Nước thô nhân tạo 45

3.1.2 Mô hình thí nghiệm AOPs 46

3.1.3 Mô hình lọc BAC 48

3.1.4 Mô hình kết hợp 49

3.2 CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 50

3.2.1 Thí nghiệm 1 (AOPs) 50

3.2.2 Thí nghiệm 2 (BAC) 52

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 53

3.3.1 Phân tích BDOC 53

3.3.2 Phương pháp xác định nồng độ ozone phản ứng 55

3.3.3 Phương pháp xác định nồng độ UV 55

3.3.4 Phương pháp phân tích H2O2và O3trong nước 56

3.3.5 Phương pháp khử H2O2và O3 trong nước 57

3.3.6 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu khác 58

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1 (AOPs) 59

4.1.1 Thí nghiệm 1.1: O3thuần túy 59

4.1.2 Thí nghiệm 1.2: hệ preoxon 71

4.1.3 Thí nghiệm 1.3: O3+ UV 81

4.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 2 (MÔ HÌNH LỌC BAC) 88

4.2.1 Thí nghiệm 2.1 88

4.2.2 Thí nghiệm 2.2 94

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC 102

LÝ LỊCH KHOA HỌC 108

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước sông Sài Gòn vào các tháng giữa năm2007

Bảng 2.2 Diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn từ tháng 4/2008 – 6/2008

Bảng 2.3: Danh mục các sản phẩm phụ khử trùng (DBPs) và các chất còn lại củaquá trình khử trùng

Bảng 2.4: Ảnh hưởng sức khỏe của các chất khử trùng và DBPs

Bảng 2.5 Điều kiện hình thành DBPs

Bảng 2.6 Các DBPs vô cơ trong quá trình khử trùng

Bảng 2.7 Thế oxy hóa của một số chất oxy hóa

Bảng 2.8 Hằng số tốc độ phản ứng của OH* và O3đối với một số hợp chất hữu cơtrong môi trường nước

Bảng 2.9 Những hợp chất bị oxy hóa bởi gốc OH* đã được nghiên cứu

Bảng 2.10 Chất lượng nước trước và sau xử lý của nhà máy xử lý nước ở Trondheim

Bảng 2.11 Thành phần tính chất nước hồ Lake Wallace

Bảng 2.12 Hiệu quả của các công trình đơn vị trong nhà máy xử lý

Bảng 3.1 Thành phần và tính chất của nước đầu vào cho thí nghiệm AOPs

Bảng 3.2 Thành phần và tính chất nước đầu vào cho thí nghiệm BAC trong giaiđoạn thích nghi

Bảng 3.3 Thành phần và tính chất nước đầu vào cho thí nghiệm BAC

Bảng 3.4 Thành phần và tính chất nước đầu vào cho thí nghiệm kết hợp

Bảng 3.5: Các thông số vận hành cho thí nghiệm AOPs

Bảng 3.6 Các thông số vận hành cho mô hình BAC trong giai đoạn thích nghi

Bảng 3.7 Các thông số vận hành cho thí nghiệm lọc BAC

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm khử Ozone còn lại trong nước

Bảng 3.9 Kết quả thí nghiệm khử H2O2và Ozone còn lại trong nước

Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm khử Na2S2O3dư trong nước

Bảng 3.11 Các phương pháp phân tích chỉ tiêu

Bảng 4.1 Hiệu quả xử lý bằng quá trình ozone với nồng độ 0,9mgO3/mgTOC

Bảng 4.2 Hiệu quả xử lý bằng quá trình perozon với nồng độ 0,9mgO3/mgTOC

Bảng 4.3 Hiệu quả xử lý bằng quá trình O3 + UV với nồng độ 0,9mgO3/mgTOCBảng 4.4 Hiệu quả xử lý của mô hình kết hợp tính theo mô hình của Hua ChangHong

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Bản đồ vị trí nhà máy nước Tân Hiệp

Hình 2.2 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo Ammonia

Hình 2.3 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo COD

Hình 2.4 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo SS (mg/l)

Hình 2.5 Quy trình công nghệ của nhà máy nước Thủ Đức

Hình 2.6 Quy trình công nghệ của nhà máy nước Tân Hiệp

Hình 2.7 Minh họa mối quan hệ giữa thành phần carbon hữu cơ

Hình 2.8 Hai đường đi phản ứng oxi hóa của ozone trong dung dịch nước

Hình 2.9 Bề mặt than hoạt tính sinh học chụp bằng kính hiển vi

Hình 2.10 Cấu trúc GAC dưới kính hiển vi điện tử (Diện tích thể hiện là 15.8_12.5lm)

Hình 2.11 Sự hấp phụ của bề mặt GAC và sự bắt giữ trong lỗ

Hình 2.12 Quá trình khử DOC bằng hấp phụ và phân hủy sinh học theo thời gianHình 2.13 Mô hình nghiên cứu pilot của đại học Postech

Hình 2.14 Quy trình công nghệ xử lý nước cấp thành phố Amsterdam

Hình 2.15 Hiệu quả xử lý MIB và Geosmin của công nghệ xử lý nước của TP.Amsterdam

Hình 2.16 Công trình xử lý TOC và THM ở Choisy le Roi, Pháp – (a) Quy trìnhcông nghệ - (b) Khả năng xử lý THM và TOC bằng các công nghệ khác nhau.Hình 2.17 Quy trình công nghệ nhà máy xử lý nước áp dụng công nghệ Ozone/BACHình 2.18 Quy trình công nghệ xử lý nước hồ Lake Wallace, Úc

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm ozone thuần túy

Hình 3.3 Mô hình thí nghiệm hệ peroxon

Hình 3.4 Phổ ánh sáng của đèn UV-A (Philips)

Hình 3.5 Mô hình thí nghiệm hệ O3 + UV

Hình 3.6 Mô hình thí nghiệm lọc than hoạt tính

Hình 3.7 Mô hình kết hợp AOPs + BAC

Hình 3.8 Tủ ủ nhiệt độ 30oC phân tích BDOC

Hình 3.9 Kết quả nồng độ DOC biến đổi theo thời gian

Hình 4.1 Sự phụ thuộc của nồng độ ozone và hiệu suất ozone phản ứng vào pH ở thínghiệm 1.1a

Hình 4.2 Sự biến thiên độ màu theo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.3 Sự biến thiên CODMntheo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.4 Sự biến thiên nồng độ TOC, DOC theo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.5 Sự phụ thuộc của UV254 vào pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.6 Sự biến thiên BDOC theo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.7 Sự biến thiên tỷ lệ BDOC/DOC theo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.8 pH đầu ra sau quá trình ozone hóa theo pH ở thí nghiệm 1.1a

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của nồng độ Ozone vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1bHình 4.10 Sự phụ thuộc của độ màu vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1b

Hình 4.11 Sự phụ thuộc của CODMnvào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1b

Hình 4.12 Sự phụ thuộc của TOC, DOC vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1b

Hình 4.13 Sự phụ thuộc của UV254vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1b

Hình 4.14 Sự phụ thuộc của BDOC vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1b

Hình 4.15 Sự phụ thuộc của tỷ lệ BDOC/DOC vào thời gian lưu ở thí nghiệm 1.1bHình 4.16 Sự phụ thuộc của nồng độ ozone phản ứng theo nồng độ ozone đầu vào ởthí nghiệm 1.1c

Hình 4.17 Sự phụ thuộc của độ màu vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1c

Hình 4.18 Sự phụ thuộc của nồng độ CODMnvào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1cHình 4.19 Sự phụ thuộc của nồng độ TOC vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1cHình 4.20 Sự phụ thuộc của nồng độ DOC vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1cHình 4.21 Sự phụ thuộc của UV254 vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1c

Hình 4.22 Sự phụ thuộc của BDOC vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.1c

Hình 4.23 Sự biến thiên của tỷ lệ BDOC/DOC theo nồng độ ozone ở thí nghiệm1.1c

Hình 4.24 Sự phụ thuộc của độ màu vào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.25 Sự phụ thuộc của nồng độ CODMnvào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.26 Sự phụ thuộc của nồng độ TOC vào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.27 Sự phụ thuộc của nồng độ DOC vào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.28 Sự phụ thuộc của UV254vào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.29 Sự phụ thuộc của nồng độ BDOC vào pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.30 Biến thiên tỷ lệ BDOC/DOC theo pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.31 Biến thiên pH đầu ra theo pH ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.32 Sự phụ thuộc của độ màu theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.33 Sự phụ thuộc của nồng độ CODMntheo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2aHình 4.34 Sự phụ thuộc của nồng độ TOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2aHình 4.35 Sự phụ thuộc của nồng độ DOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2aHình 4.36 Sự phụ thuộc của UV254theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2a

Hình 4.37 Sự phụ thuộc của nồng độ BDOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2aHình 4.38 Sự biến thiên của tỷ số BDOC/DOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.2aHình 4.39 Sự phụ thuộc của độ màu theo nồng độ O3và H2O2ở thí nghiệm 1.2cHình 4.40 Sự phụ thuộc của CODMntheo nồng độ O3và H2O2ở thí nghiệm 1.2cHình 4.41 Sự phụ thuộc của TOC theo nồng độ O3và H2O2 ở thí nghiệm 1.2c

Hình 4.42 Sự phụ thuộc của DOC theo nồng độ O3và H2O2 ở thí nghiệm 1.2c

Hình 4.43 Sự phụ thuộc của UV254theo nồng độ O3và H2O2 ở thí nghiệm 1.2cHình 4.44 Sự biến thiên của BDOC theo nồng độ O3và H2O2 ở thí nghiệm 1.2cHình 4.45 Sự biến thiên của BDOC/DOC theo nồng độ O3 và H2O2 ở thí nghiệm1.2c

Hình 4.46 Sự phụ thuộc của độ màu theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.47 Sự phụ thuộc của CODMntheo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.48 Sự phụ thuộc của TOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.49 Sự phụ thuộc của DOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.50 Sự phụ thuộc của UV254theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.51 Sự phụ thuộc của BDOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.52 Biến thiên tỷ số BDOC/DOC theo thời gian lưu ở thí nghiệm 1.3a

Hình 4.53 Sự phụ thuộc của độ màu vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3b

Hình 4.54 Sự phụ thuộc của nồng độ CODMnvào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3bHình 4.55 Sự phụ thuộc của nồng độ TOC vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3bHình 4.56 Sự phụ thuộc của nồng độ DOC vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3bHình 4.57 Sự phụ thuộc của UV254vào nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3b

Hình 4.58 Sự biến thiên BDOC theo nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3b

Hình 4.59 Sự biến thiên tỷ số BDOC/DOC theo nồng độ ozone ở thí nghiệm 1.3bHình 4.60 So sánh hiệu quả loại bỏ DOC của 3 quá trình

Hình 4.61 So sánh độ tăng tỷ số BDOC/DOC của 3 quá trình AOPs

Hình 4.62 Biến thiên CODMnở giai đoạn chạy thích nghi

Hình 4.63 Biến thiên ammonia ở giai đoạn chạy thích nghi

Hình 4.64 Biến thiên N-NO2, N-NO3ở giai đoạn chạy thích nghi

Hình 4.65 Biến thiên của nồng độ CODMntheo thời gian ở EBCT = 10 phútHình 4.66 Biến thiên nồng độ TOC theo thời gian ở EBCT = 10 phút

Hình 4.67 Biến thiên nồng độ CODMntheo thời gian ở EBCT = 20 phút

Hình 4.68 Biến thiên nồng độ TOC theo thời gian ở EBCT = 20 phút

Hình 4.69 Biến thiên nồng độ CODMntheo thời gian ở EBCT = 30 phút

Hình 4.70 Biến thiên nồng độ TOC theo thời gian ở EBCT = 30 phút

Hình 4.71 Biến thiên độ màu theo thời gian ở mô hình kết hợp

Hình 4.72 Biến thiên TOC theo thời gian ở mô hình kết hợp

Hình 4.73 Biến thiên DOC theo thời gian ở mô hình kết hợp

Hình 4.74 Hiệu quả xử lý độ màu, TOC, DOC của các quá trình

Hình 4.75 Hiệu quả xử lý UV254, SUVA của các quá trình

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AOC Carbon hữu cơ có thể đồng hóa (Assimilable organic carbon)

AOPs Các quá trình oxi hóa bậc cao (Advanded oxidation processes)

BAC Than hoạt tính sinh học (Biological activated carbon)

BDOC Carbon hữu cơ hòa tan có thể phân hủy sinh học (Biological dissolve

organic carbon)BOD Nhu cầu oxi sinh học (Biological oxygen demand)

BOM Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (Biological organic matter)

COD Nhu cầu oxi hóa học (Chemical oxygen demand)

DBPFP Tiềm năng hình thành sản phẩm phụ khử trùng (Disinfection

byproduct formation potential)DBPR Quy định về chất khử trùng/sản phẩm phụ khử trùng

(Disinfectants/disinfection byproducts rule)DBPs Các sản phẩm phụ khử trùng (Disinfection byproducts)

DO Oxi hòa tan (Dissolved oxygen)

DOC Carbon hữu cơ hòa tan (Dissolved organic carbon)

DOM Chất hữu cơ hòa tan (Dissolved organic matter)

GAC Than hoạt tính dạng hạt (Granular activated carbon)

HAA Haloacetic acids

MX 3-chloro-4-(dichloromethyl)-5-hydroxyl-2(5H)-furanone

NOM Chất hữu cơ tự nhiên (Natural organic matter)

POC Carbon hữu cơ dạng hạt (Particulate organic carbon)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SUVA Độ hấp thu UV 254 đặc thù (Specific UV254)

THMFP Tiềm năng hình thành Trihalomethane (Trihalomethane formation

potential)THMs Trihalomethanes

TOC Tổng carbon hữu cơ (Total organic carbon)

TPHCM Thành phố Hồ Chí Minh

TTHM Tổng Trihalomethane (Total trihalomethane)

USEPA Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (US Environmental Protection Agency)

UV254 Độ hấp thu UV ở bước sóng 254 nm (Ultraviolet Absorption

(254nm))

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nước là một yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành sự sống trên trái đất Sinh vật

và con người sẽ không tồn tại được nếu thiếu nước Đặc biệt, nước sạch là nhu cầu cơbản trong đời sống hàng ngày của con người Nếu nguồn nước bị nhiễm bẩn sẽ gây nhiều bệnh tật và có thể gây tử vong cho con người Có khoảng 80% bệnh nhiễm trùng liênquan đến việc không được sử dụng nước sạch ở các nước đang phát triển, khó khống chế

và thanh toán như: các bệnh do virus, giun sán, côn trùng liên quan đến nước, bệnh ngoài

da, mắt Trong đó, bệnh tiêu chảy được xếp vào vị trí thứ ba về tỷ lệ tử vong trên toànthế giới

Với các quy trình xử lý nước như hiện nay, quá trình khử trùng là một khâu không thể thiếu nhằm loại bỏ các tác nhân gây bệnh, cung cấp nước sạch an toàn cho người sử dụng Khử trùng bằng chlorine là phương pháp phổ biến trên thế giới và ở Việt Nam Tuy nhiên, chlorine có thể phản ứng với các hợp chất hữu cơ tự nhiên (NOM) như các hợp chất humic hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (DBPs) DBPs được xem là các chất có khả năng gây ung thư và ảnh hưởng đến khả năng sinh sản của con người Do đó, kiểm soát việc hình thành DBPs trong quá trình cấp nước là điều hết sức quan trọng Hiện nay, chất lượng nguồn nước cấp diễn biến ngày càng phức tạp và xấu

đi Theo báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng sự (2006), hiện nay, chất lượng nước sôngSài Gòn diễn biến phức tạp và xuất hiện một số chỉ tiêu đặc thù ảnh hưởng trực tiếp trướchết đến hoạt động của nhà máy cấp nước, đồng thời đe dọa nghiêm trọng đến nhu cầu cấpnước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội của cáctỉnh và thành phố Chính vì thế, việc tìm ra các công nghệ có thể kiểm soát và xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm, đồng thời có thể kết hợp với các hệ thống hiện có để tiết kiệm về chi phí cho người dân là rất cần thiết

Đề tài “Nghiên cứu áp dụng các quá trình xử lý bậc cao để xử lý nước nguồn bị ô nhiễm chất hữu cơ” được thực hiện nhằm mục đích góp phần đưa ra giải pháp xử lý các

chất hữu cơ trên nước sông, giảm thiểu việc hình thành các sản phẩm phụ của quá trìnhkhử trùng, cung cấp nước sạch và an toàn cho người dân sử dụng

1.2 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu áp dụng quá trình oxi hóa bậc cao (AOPs) kết hợp vớilọc than hoạt tính sinh học (BAC) để xử lý nước nguồn bị ô nhiễm chất hữu cơ, giảmthiểu việc hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng

1.2.2 Nội dung của đề tài

Đề tài tập trung vào các nội dung sau đây:

1 Tổng quan về hiện trạng nước sông Sài Gòn

2 Tổng quan về quá trình hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng (DBPs)

3 Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu trong và ngoài nước

4 Nghiên cứu hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng các mô hình oxi hóa bậc cao (AOPs): O3,

O3 + H2O2,O3+ UV So sánh và lựa chọn phương án khả thi

5 Nghiên cứu hiệu quả xử lý bằng mô hình hấp phụ bằng than hoạt tính sinh học (BAC)trong hai trường hợp: + Không có AOPs

+ Kết hợp với AOPs

1.3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, trong nước đã có một số nghiên cứu để quản lý và giảm thiểu sự suy giảm chấtlượng nguồn nước mặt như:

- Thạc sĩ Nguyễn Thị Vân Hà và cộng sự đang thực hiện hai đề tài (i) “ Đánh giá ônhiễm đặc thù trên sông Sài Gòn và đề xuất các giải pháp khai thác sử dụng nước hiệu quả” - TPHCM, 2007, và (ii) “Nghiên cứu đánh giá tổng hợp có cơ sở khoa học

và thực tiễn về các nguyên nhân gây ô nhiễm đặc thù nước sông Sài Gòn” - 01/2008– 12/2008

- Thạc sĩ Nguyễn Văn Thuyền đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác định hiệu quả tối ưu các quá trình cơ bản trong công nghệ xử lý nước Nhà máy nước Sông Bé –1995

- GS.TS Lâm Minh Triết cùng các cộng sự đang triển khai nghiên cứu “Bảo vệ nguồn nước sông Sài Gòn đảm bảo an toàn cho nhu cầu cấp nước” Mục tiêu của đề tàinhằm đánh gíá có cơ sở khoa học và thực tế về mức độ ô nhiễm nguồn nước sông SàiGòn; xác định và dự báo được các nguồn gây ô nhiễm nước sông Sài Gòn; và đề xuất các giải pháp quản lý, kỹ thuật và công nghệ bảo vệ chất lượng nước sông Sài Gònđảm bảo an toàn cấp nước

Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có các nghiên cứu cải thiện công nghệ xử lý nước cấpkhi chất lượng nguồn nước thay đổi Do đó, đây là một đề tài hoàn toàn mới và có tínhthực tiễn rất cao

1.4 MÔ HÌNH THỰC HIỆN

Hai quá trình sau đây được lựa chọn bao gồm:

 Oxy hóa bậc cao (AOPs) bao gồm: thuần túy O3, ozone + H2O2 và ozone + UV

 Than hoạt tính sinh học (BAC)

Nghiên cứu dự kiến thực hiện trên mô hình:

 Mô hình thí nghiệm AOPs

 Mô hình cột lọc chứa BAC

1.5 PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Thực nghiệm được tiến hành trên quy mô phòng thí nghiệm đặt tại phòng thí nghiệm củaKhoa Môi trường – Đại học Bách Khoa TP HCM.

Nước thử nghiệm: Mẫu nhân tạo là nước máy châm thêm chất hữu cơ và ammonia để đạtđược nồng độ TOC và ammonia yêu cầu

Chất hữu cơ thêm vào lấy từ nước thải sau xử lý bậc II (xử lý sinh học) từ trạm xử lýnước thải nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn Gò Cát, ở TP.HCM Việc lựa chọnnước thải sau xử lý sinh học nhằm phù hợp với điều kiện thực tế khi nguồn nước thô tiếpnhận nước thải đô thị và công nghiệp

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước

Điều tra, thu thập và phân tích các số liệu về chất lượng nước nguồn dùng cho mục đíchsinh hoạt ở Việt Nam và Thành phố Hồ Chí Minh Tìm hiểu các nghiên cứu và công nghệ

xử lý nước cấp đã và đang thực hiện ở trong và ngoài nước

Tham khảo các nghiên cứu về các phương pháp oxi hóa bậc cao bằng ozone, hệ peroxon,

hệ Ozone + UV và lọc than hoạt tính sinh học trong xử lý nước

 Tiến hành thực nghiệm trên mô hình

 Phân tích các chỉ tiêu

 Phân tích, nhận xét, đánh giá các kết quả thực nghiệm

 Xử lý số liệu, báo cáo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN2.1 HIỆN TRẠNG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN

Sông Sài Gòn chảy qua các tỉnh thành bao gồm Bình Phước, Tây Ninh, Bình Dương vàThành phố Hồ Chí Minh Đây là nguồn nước đã và đang được sử dụng để cấp nước tướicho nông nghiệp, cấp nước cho dân dụng và công nghiệp ở TPHCM, Bình Dương và một

số khu vực khác

Hình 2.1 Bản đồ vị trí nhà máy nước Tân Hiệp

Theo báo cáo của Nhà máy nước Tân Hiệp [3], từ năm 2004 đến nay chất lượng nguồnnước sông suy giảm rất nhanh qua từng năm Khảo sát dọc theo sông Sài Gòn cho thấy,

pH chỉ đạt tiêu chuẩn nước mặt loại B (5,5 – 9), DO rất thấp, vi sinh vượt tiêu chuẩn chấtlượng nước mặt sử dụng làm nước cấp Đặc biệt, ammonia tăng rất cao, nếu trước đâytăng theo mùa, theo thủy triều thì nay tình trạng ô nhiễm này tăng giảm thường xuyêntrong ngày Năm 2006 – 2007, tình trạng ô nhiễm này càng trở nên trầm trọng hơn với sựxuất hiện cao của mangan trong nguồn nước sông gây khó khăn cho quá trình xử lý vàtiêu tốn một lượng lớn hóa chất

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước sông Sài Gòn vào các tháng giữa

năm 2007

(Nguồn: Phòng kiểm nghiệm NMN Tân Hiệp)

Các tháng giữa năm 2007, pH rất thấp, hàm lượng Mn và NH3 rất cao trong nguồn nước.Cũng trong tình trạng đó, các tháng đầu năm 2008 cho thấy hầu hết các chỉ tiêu đều vượttiêu chuẩn nước mặt, chất lơ lửng cao, Mn luôn luôn có mặt trong nguồn nước và cóchiều hướng gia tăng, đặc biệt là hàm lượng coliform và ammonia tăng mạnh và vượt tiêuchuẩn nhiều lần

Theo báo cáo của Lâm Minh Triết và cộng sự [14], hiện nay, chất lượng nước sông SàiGòn diễn biến phức tạp và xuất hiện một số chỉ tiêu đặc thù ảnh hưởng trực tiếp trước hếtđến hoạt động của nhà máy cấp nước Diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn do nhữngnguyên nhân khác nhau: nguyên nhân tự nhiên do thời tiết, rửa trôi đất dọc bờ sông ;nguyên nhân nhân tạo do hoạt động sinh hoạt từ đô thị, khu dân cư, công nghiệp, khucông nghiệp Ô nhiễm sông Sài Gòn đã ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của nhà máynước Tân Hiệp có công suất thiết kế là 300.000 m3/ngày.đêm Các chỉ tiêu về chất lượngnước thô không đạt tiêu chuẩn thiết kế ban đầu và công nghệ xử lý có khả năng khôngđáp ứng được công suất và chất lượng nước sau xử lý phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt vàcông nghiệp Hình 2.1, 2.2, 2.3 thể hiện sự thay đổi các chỉ tiêu NH3, COD và SS trong 3năm 2005, 2006, 2007

Hình 2.2 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo Ammonia

Hình 2.3 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo COD

Hình 2.4 Biến thiên diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn theo SS (mg/l)

Qua hình 2.2, 2.3 và 2.4 cho thấy nước sông bị ô nhiễm amonia và SS nghiêm trọng, hầu hết các thời điểm quan trắc trong 3 năm đều vượt so với tiêu chuẩn loại A Giá trị COD của các thời điểm quan trắc thì vẫn nằm trong tiêu chuẩn cho phép ngoại trừ một vài thời điểm trong năm 2007 là có vượt tiêu chuẩn nhưng độ lệch không nhiều

Qua các kết quả giám sát trên cho thấy chất lượng nước mặt phục vụ cho cấp nước cóchiều hướng biến đổi xấu hơn như hàm lượng các chất hữu cơ tăng, hàm lượng sắt vàmangan và ammonia hàm lượng ammonia tăng Điều này có thể dẫn đến hiệu quả xử lýcủa các nhà máy xử lý nước mặt sẽ không đạt được chất lượng nước ăn uống với chỉ tiêuTOC, ammonia hoặc THMs

Một số công nghệ xử lý nước mặt hiện nay đang được các nhà máy áp dụng để xử lýnước mặt đạt tiêu chuẩn cấp cho mục đích ăn uống

Hình 2.5 Quy trình công nghệ của nhà máy nước Thủ Đức

Hình 2.6 Quy trình công nghệ của nhà máy nước Tân Hiệp

Nhìn chung, các công nghệ xử lý nước ở TPHCM hiện nay đều xử lý đạt tiêu chuẩn nướccấp của Bộ Y tế Tuy nhiên, nếu tình trạng chất lượng nước sông Sài Gòn vẫn tiếp tụcsuy thoái và có chiều hướng gia tăng hàm lượng chất hữu cơ, coliform và ammonia thìcông nghệ hiện tại có thể không thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng nước đầu ra Hơnthế nữa, việc sử dụng các công nghệ khử trùng bằng chlorine như hiện nay, cộng với việchàm lượng chất hữu cơ đầu ra tăng sẽ làm tăng khả năng hình thành các sản phẩm phụkhử trùng, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân sử dụng

Chlor Vôi Flour

Phú Hoà

Bể trộn sơ cấp

Bể chứa nước cấp

Trạm bơm cấp II

Bể trộn sơ cấp

Kênh phân phối

Bể lắng ngang

Bể lọc nhanh

Bể trộn thứ cấp

Bể chứa nước

Trạm bơm

cấp II

Chlor

2.2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH SẢN PHẨM PHỤ KHỬ TRÙNG [8]

DBPFP là chỉ tiêu về các sản phẩm phụ hữu cơ mà có thể hình thành trong các hệ thốngcấp nước nếu sử dụng chất khử trùng là chlorine Vì việc hình thành DBP trên hệ thốngcấp nước, vì thế mà phải giảm thiểu hàm lượng DBP ở đầu ra của nhà máy DBPFP caokhi một trong các chỉ tiêu dưới đây cao:

 Việc hình thành TTHM trong 7 ngày vượt quá 0.08 mg/L trong giai đoạn 1 củaDBPR; hoặc

 Việc hình thành HAA5 vượt quá 0.06 mg/L trong giai đoạn 1 của DBPR

2.2.1 Các loại DBPs và các chất còn lại trong quá trình khử trùng

Bảng 2.3 chỉ ra các danh sách các chất còn lại trong quá trình khử trùng và các chất DBPs

có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe

Bảng 2.3: Danh mục các sản phẩm phụ khử trùng (DBPs) và các chất còn lại của

TrihalomethanesChloroform (CHCl3)Bromdichloromethane (CHCl2Br)Dibromochloromethane (CHBr2Cl)Bromoform (CHBr3)

Haloacetic AcidsMonochloriacetic acidDichloroacetic acidTrichloroacetic acidMonobromoacetic acidDibromoacetic acidHaloacetonitrilesDichloroacetronitrileBromochloroacetonitrileDibromoacetonitrileTrichloroacetonitrileHaloketones

1,1-Dichloropropanone1,1,1-Trichloropropanone

Các sản phẩm phụ trong quá trình oxi

hóa các hợp chất hữu cơ

Chloral HydrateCyanogen ChlorideN-OrganochloraminesMX*

* 3-Chloro-4-(dichloromethyl)-5-hydroxy-2(5H)-furanone

(Nguồn: [8])

Việc hình thành DBPs phụ thuộc vào loại chất khử trùng, chất hữu cơ hiện diện (ví dụTOC), ion bromide và các tác nhân môi trường khác Bằng cách loại bỏ các chất có khảnăng hình thành DBPs, việc tạo thành các DBPs sẽ giảm Ảnh hưởng sức khỏe của cácDBPs và các chất khử trùng đã được đánh giá qua các nghiên cứu dịch tễ học và cácnghiên cứu độc học trên các động vật trong phòng thí nghiệm Bảng 2.4 chỉ ra việc phânloại các chất gây ung thư của cả các chất khử trùng và DBPs vào tháng 1 năm 1999

Bảng 2.4: Ảnh hưởng sức khỏe của các chất khử trùng và DBPs

Các chất gây ung thư Phân loại (1)

Bromate B2

Chú thích:

(1)

Hệ thống phân loại các chất hóa học theo khả năng gây ung thư

Nhóm A: Gây ung thư ở người Có đầy đủ bằng chứng theo các nghiên cứu

dịch tễ học để phân tích mối liên hệ giữa phơi nhiễm và bệnh ung thư

Nhóm B: Có thể gây ung thư nhiều Có một số bằng chứng theo các nghiên cứu

dịch tễ học (nhóm B1) và/hoặc đầy đủ các bằng chứng trên các nghiên cứu ở động vật (Nhóm B2)

Nhóm C: Có thể gây ung thư Có một số bằng chứng theo các nghiên cứu ở

động vật và không đầy đủ hay không có dữ liệu đối với cơ thể con người

Nhóm D: Không thể phân loại Không đầy đủ hoặc không có bằng chứng gây

ung thư ở người và động vật Nhóm E: Không có bằng chứng gây

ung thư ở người

Không có bằng chứng về bệnh ung thư trong ít nhất hai thí nghiệm trên động vật ở các loài khác nhau hoặc trên các nghiên cứu dịch tễ học và động vật

* Hướng dẫn phân loại các chất gây ung thư theo EPA

và nhiệt độ Nitơ hữu cơ có ảnh hưởng quan trọng đến việc hình thành nitơ chứa DBPsnhư haloacetonitriles, halopicrins, và cyanogen halides [8] Các thông số TOX đặc trưngcho nồng độ tổng các halogen hữu cơ trong mẫu nước (tính toán như chloride) Nhìnchung, ít hơn khoảng 50% của hàm lượng TOX được xác định, có bằng chứng đưa ra là

có một vài sản phẩm phụ của halogen trong quá trình chlor hóa nước có thể gây nguyhiểm cho người Các DBPs không có halogen cũng hình thành khi các chất oxi hóa mạnhtác dụng với các hợp chất hữu cơ Quá trình oxi hóa bằng ozone và peroxone các chất

hữu cơ cung dẫn đến việc hình thành các aldehydes, aldo- và keto-acids, organic acids

khi có sự hiện diện của các ion bromide, brominated organics [8].

Rất nhiều các sản phẩm phụ của quá trình oxi hóa dễ phân hủy và tồn tại như các hợpchất carbon hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sinh học (BDOC) và carbon hữu cơ có thể đồnghóa (AOC) trong nước sau xử lý Ion bromide đóng vai trò quan trọng trong việc hìnhthành DBP Ozone và chlorine dư oxi hóa ion bromide thành hypobromateion/hypobromous acid, là các sản phẩm phụ có chứa bromide Các sản phẩm phụ hữu cơchứa bromide bao gồm các hợp chất nhưs bromoform, brominated acetic acids vàacetonitriles, bromopicrin, và cyanogen bromide Chỉ khoảng một phần ba các ionbromide trong các sản phẩm phụ được xác định

2.2.2.1 Các tiền chất sản phẩm phụ khử trùng

Những thành phần chủ yếu của NOM (natural organic matter) bao gồm carbon, oxy,

nitơ, hydro và lưu huỳnh, tất cả ràng buộc với nhau trong một loạt các cấu hình phức tạp.Thông thường nồng độ NOM được biểu diễn bằng đơn vị cacbon, vì đây là hợp chấtchiếm đa số theo trọng lượng trong chất hữu cơ Chất hữu cơ tự nhiên (NOM) hiện diệntrong nước là một sự trộn lẫn của nhiều chất hữu cơ khác nhau trong hầu hết tất cả nguồnnước Trong NOM các hợp chất humic thường bao gồm một phần quan trọng Các hợpchất humic được chia ra thành acid humic, acid fulvic và các chất mùn Tất cả các nhómnày bao gồm những chất hữu cơ cao phân tử và vô số cấu trúc phân tử khác nhau Cấutrúc phân tử chính là những vòng benzen, axit cacboxilic và phenolic functionalities.Cấu trúc và chức năng hiện tại và đến một mức độ có khả năng bị phân hủy là do ảnhhưởng của các chất hữu cơ mà có nguồn gốc từ các humic.Vì không có cấu trúc đơn, tổnglượng chất mùn trong nước cần phải được đo bằng một nhóm các thông số như là tổngcacbon hữu cơ (TOC) Cacbon hữu cơ chứa trong NOM (TOC) có thể là hạt cacbon hữu

cơ (POC) hoặc cacbon hữu cơ hòa tan (DOC) POC được định nghĩa như là một thànhphần của chất hữu cơ bị giữ lại bởi màng lọc 0.45 m [16]

Trong ứng dụng cho nước uống, cacbon hữu cơ thường được sử dụng như chất đại diện cho tổng lượng của NOM Thành phần của cacbon thường được đánh giá bằng tổng cacbon hữu cơ (TOC) hoặc DOC Bên trong chất hữu cơ tự nhiên đó là một phần nhỏ dễ

bị phân hủy sinh học của chất hữu cơ, chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (BOM) là chất

nền cho phép vi khuẩn phát triển trong nước [8] Công việc này được tập trung trong một

trong số phương pháp thích hợp để đo thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học (BOM),

là phương pháp đo carbon hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sinh học (BDOC) mà sử dụngcacbon hữu cơ hòa tan (DOC) như một nhóm thông số [8]

Giá trị DOC được coi là một thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các quá trình xử lý với đối với việc khử NOM DOC cũng được dùng để đo BOM bằng phương pháp cacbon hữu cơ hòa tan có khả năng phân hủy sinh học (BDOC)

Hình 2.7 Minh họa mối quan hệ giữa thành phần carbon hữu cơ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng NOM là các tiền chất của việc hình thành DBP hữu cơ[8] Chlorine phản ứng với NOM để hình thành các DBPs khác nhau bao gồm THMs,haloacetic acids (HAAs), và các chất khác Ozone phản ứng với NOM thành aldehydes,organic acids, và aldo- và keto-acids; nhiều chất cũng được hình thành do quá trình chlorhóa [8] Nước tự nhiên có chứa nhiều các hợp chất humic và chất hữu cơ không phảihumic NOM có thể chia thành các chất kị nước bao gồm chủ yếu là humic và chất ưanước chủ yếu là hợp chất fulvic Loại và nồng độ NOM thường được ước tính bằng cácphương pháp sử dụng chất thay thế Mặc dù các thông số thay thế có giới hạn nhưngchúng vẫn được sử dụng vì có thể xác định được dễ dàng hơn, nhanh hơn và rẻ hơn cácthông số mong muốn, thường cho phép điều chỉnh tuyến tính trong quá trình vận hành vàthực hiện ở các nhà máy xử lý nước Các thông số thay thế NOM bao gồm:

 Tổng carbon hữu cơ và carbon hữu cơ hòa tan (TOC và DOC);

 Độ hấp thu UV254: một số các hợp chất hữu cơ trong nước và nước thải như lignin,tannin, humic và các hợp chất có vòng thơm khác bị hấp thu mạnh bởi UV Độhấp thu UV được sử dụng như một thông số thay thế để đo đạc các chất hữu cơ cóvòng thơm trong nước Độ hấp thu UV có mối quan hệ với hàm lượng carbon hữu

cơ, độ màu và tiềm năng hình thành trihalomethanes (THMs) và các sản phẩm phụkhử trùng khác Độ hấp thụ UV cũng là thông số để kiếm soát và đánh giá việcloại bỏ các chất hữu cơ bằng các quá trình khác nhau trong nước cấp [16]

 SUVA: được xác định bằng độ hấp thu ở bước sóng 254 nm (UV-254) chia chonồng độ DOC (SUVA = (UV-254/DOC)*100, đơn vị l/mg.m), là thông số quantrọng để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ hòa tan có vòng thơm[16]

 Tiềm năng hình thành THM (THMFP): kiểm tra bằng lượng THMs hình thành vớihàm lượng lớn chlorine dư và trong thời gian phản ứng dài và;

 Hệ thống phân phối mô phỏng TTHM Simulated Distribution System (SDS): kiểmtra ước tính nồng độ TTHM tại một số điểm lựa chọn trên hệ thống phân phối, ởnơi có điều kiện để kiểm tra chlorine trên hệ thống phân phối

Trung bình khoảng 90% TOC trong nước nằm ở dạng hòa tan DOC DOC được địnhnghĩa là TOC có thể đi qua lõi lọc 0,45µm Độ hấp thu UV cũng là thông số để đánh giá

sự hiện diện của DOC trong nước vì DOC chủ yếu tồn tại bởi các hợp chất humic, cóchứa các cấu trúc vòng thơm bị hấp thụ bởi UV Quá trình oxi hóa DOC làm độ hấp thu

UV giảm Thông thường việc chuyển hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ thành CO2 ítkhi xảy ra đối với các công trình xử lý thông thường, vì vậy nồng độ TOC giảm khôngđáng kể và gần như không đổi

Nồng độ DBP khác nhau theo mùa và thường lớn nhất vào mùa hè và đầu mùa thu vì một

số nguyên nhân:

 Tốc độ hình thành DBP tăng khi nhiệt độ tăng [8];

 Các tiền chất của DBP hữu cơ tự nhiên khác nhau theo mùa [8]; và

 Vì ở nhiệt độ ấm hơn thì yêu cầu chlorine cũng cao hơn trong các tháng vào mùa

hè để duy trì quá trình khử trùng

Nếu có sự có mặt của ion bromide trong nguồn nước, nó có thể bị oxi hóa thành cáchypobromous acid mà có thể phản ứng với NOM hình thành brominated DBPs, nhưbromoform Hơn thế nữa, dưới điều kiện nào đó, ozone có thể phản ứng với ion bromite(OBr-) hình thành ion bromate (BrO-3) Tỉ lệ ion bromide và liều lượng chlorine ảnhhưởng đến việc hình thành THM

Tỷ lệ ion bromide và liều lượng chlorine ảnh hưởng đến việc hình thành THM vàbromine thay thế chlorine Việc tăng tỷ lệ ion bromide trên liều lượng chlorine làm giá trịTHMs có chứa bromine hình thành nhiều hơn [8] Trong nghiên cứu của Krasner cùngcộng sự, khi TOC được loại bỏ thông qua quá trình xử lý, hàm lượng chlorine giảm vàviệc hình thành THM giảm theo Tuy nhiên, cùng một lúc cả ion bromide và hàm lượngchlorine tăng thì nồng độ TTHM tăng cao hơn, và có nhiều các THMs chứa bromide Vìthế, cải thiện xử lý NOM là điều trước tiên trong quá trình chlor hóa để giảm việc hìnhthành các sản phẩm phụ này

2.2.2.2 Ảnh hưởng của pH đến việc hình thành DBPs

pH của nước khử trùng có ảnh hưởng đến việc hình thành các sản phẩm phụ theo nhưbảng 2.5 [8] Việc hình thành THM tăng khi tăng pH Việc hình thành trichloroaceticacid, dichloroacetonitrile, và trichloropropanone giảm khi tăng pH Việc hình thành TOXgiảm khi tăng pH Dựa theo các nghiên cứu về quá trình chlor hóa các hợp chất humictrong mô hình, pH cao có khuynh hướng tăng việc hình thành chloroform cũng như hìnhthành trichloroacetic acid và các hợp chất halogen hữu cơ khác Vì vậy, nhà máy xử lýnước làm mềm ở pH lớn hơn 9.5 - 10 thì có thành phần THMs cao hơn các nhà máy xử

lý nước bề mặt có pH khoảng 6 – 8 [8]

Kể cả khi áp dụng chlorine dioxide và chloramines để tạo chlorine dư trong nước, các sảnphẩm phụ hình thành cũng bị ảnh hưởng bởi pH như đã nói ở trên

2.2.2.3 Các sản phẩm phụ hữu cơ của quá trình oxi hóa

Các sản phẩm phụ hữu cơ của quá trình oxi hóa hình thành do phản ứng giữa NOM vàcác tác nhân oxi hóa thêm vào trong quá trình xử lý nước uống Một số các sản phẩm phụnày bị halogen hóa, một số thì không Các loại và nồng độ của các sản phẩm phụ hữu cơphụ thuộc vào loại và hàm lượng của các chất oxi hóa sử dụng, đặc tính chất hóa học vànồng độ của NOM bị oxi hóa, và các tác nhân khác như pH và nhiệt độ Các sản phẩmphụ đặc trưng thuộc phân loại của các sản phẩm hữu cơ có chứa halogen nằm trong bảng

2 – 10 Việc hình thành DBPs phụ thuộc vào pH So sánh trong bảng thấy việc hình thànhTTHMs thường ở pH 7 AOC không phải là chất hữu cơ đặc biệt, nhưng thường sử dụngnhư chỉ tiêu thay thế cho tiềm năng phát triển trở lại của các vi khuẩn trong hệ thốngphân phối AOC bao gồm nhiều chất hóa học khác nhau bao gồm aldehydes vàcarboxylic acids trong Bảng 2.5 Theo các nghiên cứu về việc hình thành AOC, chủ yếu

ở Hà Lan, áp dụng cả hai quá trình dùng ozone và chlorine để khử trùng có thể làm tăngnồng độ AOC Điều này có thể là do kết quả của quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơcao phân tử thành các phân tử đơn giản hơn và có thể đồng hóa sinh học

pH 7

Hình thành tương

tự ở pH 5,0 và 9,4– có thể cao hơn ở

pH 7

Hình thành tương

tự ở pH 5,0 và 9,4– có thể cao hơn ở

pH 7Monochloroacetic Acid Ở nồng độ <5µg/l,

không thấy rõ

Ở nồng độ <5µg/l,không thấy rõ

Ở nồng độ <5µg/l,không thấy rõDibromoacetic Acid Ở nồng độ <1µg/l

không thấy rõ

Ở nồng độ <1µg/lkhông thấy rõ

Ở nồng độ <1µg/lkhông thấy rõChloral hydrate Hình thành tương

tự với pH 7

Hình thành tương

tự với pH 5

Hình thành trongkhoảng 4 giờ;

phân hủy theo thờigian <5µg/lChloropicrin Ở nồng độ <1µg/l

Không nhận rõ

Ở nồng độ <1µg/lKhông nhận rõ

Ở nồng độ <1µg/lKhông nhận rõDichloriacetonitrile Hình thành nhiều Hình thành trong

khoảng 4 giờ;

phân hủy theo thờigian <5µg/l

Nồng độ <2µg/lKhông nhận rõ

Bromochloroacetonitrile Nồng độ <2µg/l

Không nhận rõ

Nồng độ <2µg/lKhông nhận rõ

Nồng độ <2µg/lKhông nhận rõ

Dibromoacetonitrile Ở nồng độ <5µg/l,

không thấy rõ

Ở nồng độ <5µg/l,không thấy rõ

Ở nồng độ <5µg/l,không thấy rõTrichloroacetonitrile Không phát hiện Không phát hiện Không phát hiện

Bảng 2.6 Các DBPs vô cơ trong quá trình khử trùng

Chất khử trùng Các sản phẩm phụ vô cơ hoặc các chất khử trùng còn lại

2.3.1 Quá trình oxy hóa bậc cao (AOPs) [10]

Một trong những công nghệ cao nổi lên trong thời gian gần đây là công nghệ khoáng hóachất hữu cơ trong nước Các quá trình oxy hóa nâng cao được định nghĩa là những quátrình phân huỷ oxy hóa dựa vào gốc tự do hoạt động hydroxyl OH* được tạo ra tại chỗngay trong quá trình xử lý Gốc hydroxyl là một trong những tác nhân oxy hóa mạnh nhấtđược biết từ trước đến nay, có khả năng phân huỷ không lựa chọn mọi hợp chất hữu cơ,

dù là khó phân huỷ nhất, biến thành các hợp chất vô cơ (còn gọi là khoáng hóa) khôngđộc hại như CO2, H2O, các acid vô cơ Từ các tác nhân oxy hóa thông thường nhưhydrogen peroxide, ozone … có thể nâng cao khả năng oxy hóa của chúng bằng các phảnứng khác nhau để tạo ra gốc hydroxyl, thực hiện quá trình oxy hóa gián tiếp thông quagốc hydroxyl Vì vậy các quá trình này được gọi là các quá trình oxy hóa nâng cao,Advance Oxidation Processes – AOPs

Các quá trình oxy hóa nâng cao nổi lên như một loại công nghệ tiên tiến có vai trò quantrọng trong việc đẩy mạnh quá trình oxy hóa, giúp phân huỷ nhiều loại chất hữu cơ ônhiễm khác trong nước và không khí Các quá trình oxy hóa nâng cao rất thích hợp và đạthiệu quả cao trong việc phân huỷ các chất hữu cơ khó phân huỷ (POPS), hydrocarbon

halogen hóa (trihalomethane, tricloroethane, triCloroethylene…), hydrocarbon aromatic(benzene, toluene, ethylbenzene, xylen…), PCBs, nitrophenol, các hóa chất bảo vệ thựcvật, dioxin và furans, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt….

Ngoài ra, do tác dụng oxy hóa cực mạnh của chúng so với các tác nhân diệt khuẩn truyềnthống (các hợp chất Clor) nên các gốc hydroxyl ngoài khả năng tiêu diệt triệt để các vi

khuẩn thông thường như Escherrichia Coli, Coliform còn diệt được các tế bào vi khuẩn

và virus gây bệnh mà clo không thể diệt được như Campylobater, Tersina, Mycobacteria, Legionella, Cryptosporidium…Mặt khác, khử trùng bằng gốc hydroxyl OH* rất an toàn

so với khử trùng bằng clo vì không sinh ra các sản phẩm phụ gây ung thư và các chất hữu

cơ chứa clo như trihalomethanes (THMs)

a Giới thiệu về gốc tự do hydroxyl OH*

Hiện nay, trong công nghệ xử lý môi trường, người ta ứng dụng ngày càng nhiều các quátrình oxy hóa nâng cao AOPs, bản chất của quá trình là tạo ra các gốc tự do OH* để oxyhóa các chất hữu cơ trong môi trường nước Gốc tự do OH* là một tác nhân oxy hóa rấtmạnh, không chọn lọc và có khả năng oxy hóa nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ Thếoxy hóa gốc tự do OH* được so sánh với thế oxy hóa của các chất oxy hóa truyền thốngthường được sử dụng trong lĩnh vực môi trường tại bảng 2.7

Bảng 2.7 Thế oxy hóa của một số chất oxy hóa Chất oxy hóa Thế oxy hóa (V)

là ozone

Do có thế oxy hóa cao nên một khi được tạo thành, gốc OH* sẽ khơi mào cho một phảnứng dây chuyền Dạng phản ứng phổ biến của OH* với chất hữu cơ là sự tách nguyên tửhydro để bắt đầu chuỗi phản ứng oxy hóa:

Bảng 2.8 Hằng số tốc độ phản ứng của OH* và O 3 đối với một số hợp chất hữu cơ

trong môi trường nước

Nguồn: Renin M (2001).

b Cơ chế và phương thức phản ứng của gốc OH*.

Gốc hydroxyl OH* có thể tác kích với các chất ô nhiễm theo kiểu sau đây:

Phản ứng cộng với các hợp chất không no, mạch thẳng hoặc vòng thơm tạo ra gốchydroxylate hoạt động:

OH* + CH2=CH2  *CH2-CH2(OH)Phản ứng cộng với các hợp chất no và không no, tạo thành nước và gốc mới hoạt động:

OH* + CH3-CO-CH3  *CH2COCH3 + H2OPhản ứng trao đổi điện tử tạo ra gốc ion mới hoạt đông:

OH*+ CH3-S-C6H5  [CH2COCH3]* + H2OQuá trình phản ứng tiếp tục phát triển nhờ các gốc mới sinh ra theo kiểu phản ứng chuỗicho đến khi vô cơ hóa (khoáng hóa) hoàn toàn hay chuỗi phản ứng bị đứt

Mục đích mong muốn cuối cùng của các quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước

và nước thải là khoáng hóa, tức chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ thành các chất “vôcơ” đơn giản và không độc hại Cụ thể là:

 Carbon trong phân tử chất ô nhiễm thành carbon dioxit

 Hydrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nước

 Phospho trong phân tử chất ô nhiễm thành phosphate hay acid phosphoric

 Sulfur trong phân tử chất ô nhiễm thành sulfate

 Nitrogen trong phân tử chất ô nhiễm thành nitrat

 Halogen trong phân tử chất ô nhiễm thành acid halogenic

 Các hợp chất vô cơ tạo trong phân tử chất ô nhiễm thành ở trạng thái oxy hóa cao hơn như Fe2+thành Fe3+

Đặc điểm nổi bật và quan trọng của gốc OH* là hầu như không lựa chọn phản ứng vớicác chất khác nhau để oxy hóa và phân huỷ chúng Trong khi đó, đối với một số chất oxyhóa thông thường, quá trình không thể xảy ra đối với mọi chất và triệt để.

Tốc độ oxy hóa của gốc tự do OH* phụ thuộc vào nồng độ của gốc OH*, nồng độ củaoxy và nồng độ của chất hữu cơ trong môi trường nước Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng

độ của gốc OH* bao gồm: pH, nhiệt độ, thành phần ion trong dung dịch phản ứng và bảnchất của phản ứng.…

Nói chung, khi được sử dụng thích hợp, các quá trình oxy hóa nâng cao sẽ có khả năng

xử lý triệt để các chất hữu cơ có nồng độ ô nhiễm từ vài trăm ppm đến nhỏ hơn 5 ppm

Vì vậy, các phương pháp này được gọi là các quá trình xử lý nước của thế kỷ XXI

Bảng 2.9 Những hợp chất bị oxy hóa bởi gốc OH* đã được nghiên cứu.

Acid Formic, gluconic, lactic, malic, propionic, tactanic

Alcohol Benzyl, tert-butul, etanol, ethylen glucol, glycerol, iso

propanol, methanol, propenediolAldehyt Acetaldehyde, benzaldehyde, formaldehyde, glyoxal, iso-

butylraldehyde, triCloroecethaldehydeAromatic Benzene, Clorobenzene, Clorophenol, creozot, diClorophenol,

hydroquinon, p-nitrophenol, phenol, toluene, triClorophenol,xylene, trinitrotoluene

Amin Anilin, amin vòng, diethylamin, dimethylamin,

dimethylformamic, EDTA, propvàiamin, n-propylaminThuốc nhuộm Antraquinon, diazo, monoazo

- Oxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozone hòa tan trong nước

- Oxi hóa thông qua gốc hydroxyl OH* được tao ra do sự phân hủy ozone khi hòa tan vàonước

Sự phân hủy này của ozone xảy ra tức khắc khi sục ozone vào nước, kết quả tạo thànhchất oxi hóa manh thứ hai mạnh hơn, tức là gốc hydroxyl OH* theo cơ chế qua các chấttrung gian là gốc ozonit O3-*, gốc HO3* (theo Susan, J.M cùng các cộng sự, 1994).

Dưới đây là sơ đồ hai đường đi của phản ứng oxi hóa khi ozone hóa trong dung dịchnước :

Hình 2.8 Hai đường đi phản ứng oxi hóa của ozone trong dung dịch nước

(Nguồn: [10])

Hai con đường oxi hóa nói trên của ozone xảy ra cạnh tranh nhau Quá trình oxi hóa trựctiếp bằng phần tử ozone xảy ra tương đối chậm (10-5– 10-7M/s) so với oxi hóa gián tiếpthông quan gốc hydroxyl do sự phân hủy ozone tạo ra (1012 – 1014M/s) Tuy vậy, nồng

độ ozone trong nước khi ozone hóa tương đối cao, trong khi đó nồng độ gốc hydroxyltrong điều kiện ozone hóa thông thường lại tương đối nhỏ, vì thời gian sống của gốchydroxyl ngắn (thời gian bán hủy tính bằng phần nghìn giây – microsecond), nên nồng độgốc hydroxyl OH* khi oxi hóa bằng ozone không bao giờ vượt quá 10-12M [10]

Hoigné cùng các cộng sự (1997) đã nhận thấy, trong điều kiện axit, con đường oxi hóatrực tiếp bằng phân tử ozone là chủ yếu, trong khi đó, trong điều kiện pH cao, hoặc trongnhững điều kiện có những tác nhân khác như H2O2, UV, chất xúc tác,…tạo thuận lợi choquá trình tạo gốc OH*, con đường oxi hóa gián tiếp thông qua gốc hydroxyl sẽ là chủ yếu

và hiệu quả oxi hóa được nâng cao

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

 pH

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, pH có ảnh hưởng rất ít đối với khả năng của ozone hòa tan

trong nước (Farooq, 1976) Tuy nhiên, sự phân hủy ozone xảy ra nhanh hơn nếu pH

trong nước cao và các loại chất oxi hóa khác nhau trong quá trình phản ứng Các thửnghiệm tiến hành trong điều kiện nồng độ ozone không đổi với các giá trị pH khác nhaucho thấy hàm lượng hữu cơ và các vi khuẩn giảm trong điều kiệm pH kiềm (8 – 9)

Phản ứng với các anion HCO3-,

CO3-làm tiêu hao gốc OH*

Khi nhiệt độ tăng, ozone cũng ít hòa tan và ít bền vững ở trong nước Tuy nhiên, quá

trình khử trùng và tốc độ oxi hóa hóa học xảy ra tương đối ổn định Các nghiên nghiêncứu chó thấy mặc dù nhiệt độ tăng từ 0 đến 30oC có thể làm giảm quá trình hòa tan ozone

và tăng tốc độ phân hủy, nhưng nhiệt độ không ảnh hưởng nhiều đến quá trình khử trùng.Nói cách khác, tốc độ khử trùng tương đối độc lập với các quá trình xử lý nước thôngthường

2.3.3 Oxi hóa bằng hệ peroxone (O 3 /H 2 O 2 )

a Cơ sở lý thuyết

Quá trình oxi hóa của ozone với sự có mặt của hydrogen peroxit (O3/H2O2) được gọi làquá trình Peroxon hoặc Peroxon Sự khác nhau cơ bản giữa quá trình ozone và peroxon là

ở chỗ, quá trình ozone thực hiện sự oxi hóa các chất ô nhiễm chủ yếu trực tiếp bằng phân

tử ozone trong nước trong khi đó quá trình Peroxon thực hiện sự oxi hóa chất ô nhiễmchủ yếu là gián tiếp thông qua gốc hydroxyl được tạo ra từ ozone

Khi ozone hóa để thực hiện quá trình oxi hóa, lượng ozone không hòa tan hết, còn dưthoát ra ở dạng khí, trong khi đó, ở quá trình Peroxon, do sự có mặt của hydrogen peroxit

đã gia tăng đáng kể quá trình tiêu thụ và phân hủy ozone làm cho sự chuyển hóa ozone từpha khí sang pha lỏng được tăng cường Vì quá trình oxi hóa thông qua gốc hydroxylhiệu quả hơn quá trình oxi hóa trực tiếp bằng phân tử ozone nên quá trình peroxon được

sử dụng rất phổ biến và phát triển mạnh nhiều năm gần đây để xử lý những chất hữu cơkhó bị oxi hóa trong nước uống và nước thải Đối với nước uống, quá trình peroxon được

áp dụng để xử lý các chất gây mùi, vị khó chịu như geosmin, 2-metylosbocneol (MIB),các hợp chất hữu cơ chứa clo, đồng thời còn sử dụng như một tác nhân khử trùng mạnh,tiêu diệt những loại vi khuẩn hoặc các loại kén bền vững với clo như Giardia vàCryptosporidium Đối với nước thải, quá trình peroxon được xử lý các chất mang màuhoặc các chất hữu cơ chứa halogen như tricloetylen (TCE), percloetylen (PCE),dicopropen (DCPE), clopentan (CPA), diclodtan (DCA)…, các hợp chất của phenol, cácalcohol và axit ngắn mạch đến mức độ khoáng hóa nhất định Tuy vậy quá trình Peroxonthường được dừng lại ở mức độ phân hủy nào đó, nhằm chuyển hóa các chất hữu cơ khóphân hủy sinh học thành những chất hữu cơ có khả năng dễ bị phân hủy sinh học, làm cảithiện tỷ số BOD/COD trong nước thải theo chiều thuận lợi để thực hiện các quá trìnhsinh học tiếp sau

Cơ chế phản ứng tạo gốc OH* từ hệ O 3 /H 2 O 2

Sự có mặt của H2O2 được xem như làm tác dụng khơi mào cho sự phân hủy O3thông quaion hydroperoxit HO2-, như mô tả trong các phương trình dưới đây:

*

* 2

3 3 2

2 2

2

HO O

O HO

H HO O

* 3

3 3

*

*

*

O OH HO

HO H

3 3

2 3

3 2

2 2

HO H

O

O O

O O

O H HO

Bởi vì quá trình oxy hóa gốc tự do là hiệu quả nhiều hơn so với quá trình oxy hóa trựctiếp với ôzôn, nó đã được sử dụng rộng rãi để xử lý khó khăn để ôxi hóa các chất hữu cơnhư các hợp chất có mùi và vị và các hợp chất hữu cơ được xử lý clo (ví dụ, geosmin,MIB, các hợp chất phenolic, trichloroethylene [TCE], và perchloroethylene [PCE]) Tuynhiên cả quá trình ozone và peroxone đều xử lý TOC không đáng kể Peroxone sẽ oxihóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và chuyển hóa thành các chất hựu cơ dễ phânhủy sinh học như các sản phẩm tìm thấy trong quá trình ozonation; cụ thể là, cácaldehyde, Ketone, peroxit, ion bromate, và các chất hữu cơ có thể phân hủy khác Tuynhiên, với quá trình peroxone, các chất dễ phân hủy sinh học có thể được loại bỏ qua quátrình lọc bằng than hoạt tính sinh học Peroxone đã tìm thấy một thích hợp trong quá trìnhoxy hóa chất hữu cơ khó xử lý, như là các hợp chất có mùi, vị bao gồm cả geosmin vàMIB Ngoài ra, peroxone và các quá trình oxy hóa cao cấp khác đã được thể hiện có hiệuquả trong oxy hóa các hợp chất có halogen như 1,1-dichloropropene trichloroethylene, 1-chloropentane, và 1,2-dichloroethane Các gốc Hydroxyl sẽ phản ứng với tất cả các hợpchất này cộng với các chất alphatic khó xử lý như rượu và axit chuỗi ngắn

b Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

 Ảnh hưởng của các ion vô cơ

Một số các anion vô cơ thường có trong nước ngầm và nước thải cũng có thể làm giảmhiệu quả của quá trình Peroxon do chúng tìm diệt các gốc OH* vừa được tạo ra, giốngnhư ảnh hưởng của chúng trong quá trình Fenton đã khảo sát Những chất tìm diệt cácgốc hydroxyl OH* được gọi chung là những chất tìm diệt gốc hydroxyl Những phản ứnglàm mất gốc hydroxyl của một số anion tìm diệt gốc hydroxyl đặc trưng như sau:

)10

3,4(

*

)10

5,1(

*

)10

2,4(

*

*

1 1 9

*

1 1 7 3

3

*

1 1 8 3

2 3

ClOH Cl

OH

s M k

OH HCO

HCO OH

s M k

OH CO

CO OH

Qua số liệu trên cho thấy, hằng số tốc độ phản ứng giữa OH* và ion cacbonat lớn hơnnhiều so với ion bicacbonat, vì vậy khi tăng pH, cân bằng của bicacbonat – cacbonat sẽchuyển dịch theo hướng tạo thành cacbonat gây bất lợi cho phản ứng oxi hóa nâng cao.Trong khi đó, cacbonic axit lại không có tác dụng tóm bắt gốc hydroxyl, vì vậy trongtrường hợp nếu độ kiềm cao, bằng cách chỉnh pH sang môi trường axit để chuyển cânbằng cacbonat – bicacbonat từ cacbonat (chất tìm diệt gốc hydroxyl) sang cacbonat axit(không phải chất tìm diệt gốc hydroxyl), sẽ có thể loại bỏ tác dụng kìm hãm tốc độ phảnứng của các ion cacbonat và bicacbonat

Nói chung, các ion clorua, cacnonat và bicacbonat thường có ảnh hưởng kìm hãm tốc độphản ứng nhiều nhất, trong khi đó các ion sulfat, phosphat hay nitrat thường có ảnhhưởng thấp hơn

Do đó, tốc độ phân hủy ozone khi có mặt hydrogen peroxit trong môi trường trung tínhhoặc kiềm được mô tả bằng biểu thức sau [10]:

]][

[/

]

d O dt k O HO (k = (5,5 ± 1,0) ×106M-1s-1)

Qua biểu thức trên cho thấy, tốc độ phản ứng phân hủy ozone có thứ bậc 1 đối với nồng

độ ozone cũng như bậc 1 đối với nồng độ HO2

sinh ra do phân hủy H2O2

-Độ kiềm là một thông số quan trọng của quá trình Peroxon (O3/H2O2) Nếu trong nước vànước thải có độ kiềm bicacbonat và cacbonat, cần phải loại bỏ chúng trước khi tiến hànhphản ứng Peroxon vì khi thực hiện trong môi trường pH cao, cân bằng cacbonat –bicacbonat sẽ nhanh chóng chuyển sang tạo cacbonat là một chất tìm diệt gốc OH*

gốc OH* trong hệ Chẳng hạn, khi có mặt [HCO3-] nhu cầu H2O2 tăng lên tỷ lệ với nồng

độ [HCO3], do đó tỷ lệ mol H2O2/O3 không còn là 0,5 nữa Mặt khác, cần lưu ý nếu cho

H2O2quá dư so với tỷ lệ trên sẽ có tác dụng ngược lại, làm giảm hiệu quả của quá trình

H2O2/O3vì H2O2cũng có tác dụng như chất tìm diệt các gốc OH*

2.3.4 Oxi hóa bằng hệ O 3 + UV

Quá trình UV/O3 nhằm tạo ra gốc tự do hydroxyl OH* thông qua quá trình quang phân

O3 dưới tác dụng của các bức xạ UV Quá trình này được nghiên cứu và áp dụng rộng rãitrong thời gian gần đầy, được phát triển ở mức độ thương mại hóa để xử lý nước và nướcthải với các mục tiêu sau [16]:

 Loại bỏ các chất gây ô nhiễm vi lượng và đa lượng trong nước uống và nước sinhhoạt

 Loại bỏ những sản phẩm phụ sinh trong trong quá trình khử trùng nước uống vànước sinh hoạt bằng clo

 Xử lý các độc chất hữu cơ có nồng độ thấp trong nước ngầm

 Xử lý các loại nước thải công nghiệp bền vững, khó phân hủy để khử độc tínhcũng như để tăng khả năng phân hủy sinh học

Quá trình quang phân O3 dưới tác dụng của bức xạ UV sẽ tạo ra gốc OH* Khi sử dụngnguồn đèn UV là đèn hơi thủy ngân thấp áp với bước sóng là 253,7 nm, hệ số hấp thuphân tử của O3 đạt được rất cao, 3.300 l.M-1

.cm-1, nên rất thích hợp trong trường hợp này.Hiệu suất tạo ra gốc OH* đối với hệ O3/UV cao hơn nhiều so với hệ H2O2/UV Thực tếcho thấy, khi sử dụng đèn UV có bước sóng 253,7 nm, hiệu suất tạo gốc OH* đối với hệ

O3/UV là 2,00 gốc OH*/photon, trong khi đó với hệ H2O2/UV chỉ có 0,09 gốcOH*/photon [10]

2.3.5 Lọc bằng than hoạt tính sinh học (BAC)

a Cơ sở lý thuyết

Các hệ thống xử lý nước thông thường được thiết kế để xử lý các chất bẩn có chứa trongnước nguồn để ngăn cản các bệnh về nước tiềm ẩn do các vi sinh vật gây ra và các vấn đềnước ăn uống liên quan đến các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOM) như độ màu, độ đục và

vị hay việc hình thành các sản phẩm phụ của quá trình khử trùng Các hệ thống xử lý điểnhình bao gồm song chắn rác, keo tụ, tạo bông, lắng, lọc cát nhanh và quá trình khử trùng Các hệ thống xử lý nước thông thường lại rất khó loại bỏ các hợp chất hữu cơ và các chất

ô nhiễm như các chất hữu cơ tổng hợp và các tiền chất sản phẩm phụ khử trùng, từ nướcnguồn Hiệu quả xử lý các chất hữu cơ từ nước thô ở hầu hết các hệ thống xử lý nướctruyền thống chỉ khoảng 30% [7] Tuy nhiên, hiệu quả xử lý các chất hữu cơ có thể nângcao bằng cách dùng than hoạt tính dạng hạt (GAC) như là vật liệu lọc thay vì dùng cát.GAC có hiệu quả xử lý các chất hữu cơ cao hơn là vì các đường nứt không đều, lỗ xốp vàkhả năng hấp phụ các chất bẩn Nhìn chung, các quá trình xử lý nước bậc cao mà sử dụngquá trình clo hóa và lọc GAC đều cho ra các hiệu quả khác nhau để loại bỏ các chất hữu