Nghiên cứu đánh giá thực trạng và thử nghiệm xây dựng thiết bị xử lý nước ngầm tại xã văn khúc huyện cẩm khê tỉnh phú thọ

Qua quá trình nghiên cứu xử lý nước ngầm dùng cho sinh hoạt tại xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ thu được các số liệu của các thông số nghiên cứu về hàm lượng sắt, hàm lượng nitr

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tổng quan về nước ngầm

Nước ngầm là nước ở thể lỏng chứa đầy trong các lỗ hổng của đất và nham thạch tạo nên lớp vỏ Trái đất Nguồn nước ngầm hình thành nằm trong vòng tuần hoàn của nước Đây là lượng nước ta không thể nhìn thấy được Trong vòng tuần hoàn, quá trình mưa đưa nước trở lại mặt đất thì một phần lượng mưa rơi trên mặt đất và thấm vào trong đất trở thành nước ngầm Lượng nước này do không thể ngấm qua tầng đá mẹ nên nước sẽ tập trung ở bề mặt lớp đá này Tùy từng kiến tạo địa chất mà tập trung hình thành các dạng khác nhau trong các túi, khoang trống trong đất Sau khi đầy các khoang, nước sẽ bắt đầu di chuyển và liên kết các khoang, các túi với nhau, dần dần hình thành mạch nước ngầm lớn, nhỏ Các mạch nước này sẽ hướng dần ra các vùng sông, suối cung cấp một phần nước cho chúng Tuy nhiên việc hình thành nước ngầm còn phụ thuộc vào lượng nước ngấm xuống, lượng mưa của vùng đó, khả năng trữ nước của đất

Khi nghiên cứu nước ngầm thì thành phần hóa học của nước ngầm là không thể bỏ qua Một số nghiên cứu về đặc điểm chung của quá trình hình thành thành phần hóa học của nước ngầm:

Nước ngầm tiếp xúc trực tiếp hoàn toàn với đất và nham thạch Nước ngầm có thể là các màng mỏng bao phủ các phần tử nhỏ bé giữa các hạt đất, nham thạch, là chất lỏng đƣợc chứa đầy trong các ống mao dẫn nhỏ bé giữa các hạt đất, đá, nước ngầm có thể tạo ra các tia nước nhỏ trong các tầng thấm nước, thậm chí nó có thể tạo ra khối nước ngầm rất dày trong các tầng đất đá, nham thạch

Thời gian tiếp xúc của nước ngầm với đất và nham thạch lại rất dài nên tạo điều kiện cho các chất trong đất và nham thạch tan trong nước ngầm Như vậy thành phần hóa học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của các tầng đất, nham thạch chứa nó

Các loại đất, nham thạch của vỏ trái đất chia thành các tầng lớp khác nhau Mỗi tầng lớp đó có thành phần hóa học khác nhau Giữa các tầng, lớp đất, nham thạch thường có các lớp không thấm nước Vì vậy nước ngầm cũng đƣợc chia thành các tầng, lớp khác nhau và thành phần hóa học của các tầng lớp đó cũng khác nhau

 Đặc điểm thứ ba: Ảnh hưởng của khí hậu đối với nước ngầm không đồng đều

Nước ngầm ở tầng trên cùng, sát mặt đất chịu ảnh hưởng của khí hậu Các khí hòa tan trong tầng nước ngầm này do nước mưa, nước sông, nước hồ… mang đến Thành phần hóa học của nước ngầm của tầng này chịu ảnh hưởng nhiều của khí hậu

Trái lại, nước ngầm ở tầng sâu lại ít hoặc không chịu ảnh hưởng của khí hậu Thành phần hóa học của nước ngầm thuộc tầng này chịu ảnh hưởng trực tiếp của thành phần hóa học tầng nham thạch chứa nó

Căn cứ theo độ sâu của tầng nước ngầm mà người ta chia ra làm 3 tầng nước ngầm:

- Nước tầng trên: Tầng nước này nằm trên mặt gốc xâm thực và do nước mặt thấm từ trên xuống Nước trong tầng này giao lưu mạnh Thành phần hóa học chịu ảnh hưởng của nguồn nước mặt, của thành phần hóa học của tầng đất chứa nó và của khí hậu

- Nước tầng giữa: Nước ở tầng này chậm giao lưu, ít chịu ảnh hưởng của khí hậu

- Nước tầng dưới: Nước ở tầng này không chịu ảnh hưởng của nước mặt đất nên không chịu ảnh hưởng của khí hậu

Thành phần của nước ngầm không những chịu ảnh hưởng về thành phần hóa học của tầng nham thạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của các tầng nham thạch đó Ở các tầng sâu khác nhau, nham thạch có nhiệt độ và áp suất khác nhau nên nước chứa trong các tầng nham thạch đó cũng có nhiệt độ và áp suất khác nhau

Vì vậy nước ngầm ở các tầng rất sâu có thể có áp suất hàng ngày và nhiệt độ có thể lớn hơn 373 o K

Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh hưởng nhiều của vi sinh vật Ở các tầng sâu đó không có oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt động mạnh, chi phối nhiều đến thành phần hóa học của nước ngầm Vì vậy thành phần hóa học của nước ngầm chứa nhiều chất có nguồn gốc vi sinh vật Tất cả 5 đặc điểm trên đã góp phần quyết định tính chất và thành phần của nước ngầm Qua đó chúng ta thấy những đặc điểm cơ bản của thành phần hóa học của nước ngầm là:

- Thành phần hóa học của nước ngầm rất phức tạp Nó chịu ảnh hưởng của cả tính chất vật lý lẫn các thành phần hóa học của tầng đất, nham thạch chứa nó Trong nước ngầm chứa tất cả các nguyên tố cấu tạo nên lớp vỏ trái đất, nhưng hàm lượng của các nguyên tố đó trong các tầng nước ngầm khác nhau là khác nhau;

- Độ khoáng hóa của các loại nước ngầm cũng rất khác nhau

- Động thái thủy hóa của các lớp nước ngầm ở tầng sâu chưa được nghiên cứu nhiều Thành phần hóa học của chúng thay đổi rất chậm, thường phải dựa theo niên đại của địa chất để dự đoán

Nước ngầm chỉ chiếm 30,1% trong 0,9% lượng nước trên Trái đất nhưng nó lại đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống của động thực vật và con người trên Trái đất Theo tự nhiên nước ngầm sẽ tạo thành các dòng chảy ra sông, hồ và chảy ra biển, tuy nhiên con người hiện nay đã thực hiện lấy nước ngầm theo cách nhân tạo theo hình thức đào giếng khơi, giếng khoan và ống khoan của các nhà máy nước Đối với các hộ gia đình Việt Nam hiện nay việc lấy nước ngầm thông qua đào giếng khơi và giếng khoan là phổ biến nhất Nguồn nước giếng này rất quan trọng trong việc cung cấp nước sinh hoạt hàng ngày cho người dân

1.1.2 Thành phần đặc trưng chính của nước ngầm [4]

Thành phần đặc trưng của nước ngầm phụ thuộc vào thành phần hóa học của các tầng đất, nham thạch chứa nó, thành phần hóa học của nguồn nước mặt, khí hậu, thời tiết Các loại đất, nham thạch của vỏ Trái đất chia thành các tầng lớp khác nhau và có thành phần hóa học khác nhau Tuy nhiên tất cả đều có những thành phần đặc trƣng sau:

Là đại lƣợng biểu thị cho hàm lƣợng các muối của canxi và magie có trong nước Có thể phân biệt thành 3 loại độ cứng: độ cứng tạm thời, độ cứng vĩnh cửu và độ cứng toàn phần Độ cứng tạm thời biểu thị tổng hàm lƣợng các muối cacbonat và bicacbonat của canxi và magie có trong nước Độ cứng vĩnh cửu biểu thị tổng hàm lƣợng các muối còn lại của canxi và magie có trong nước Độ cứng toàn phần là tổng của hai loại độ cứng trên

Sự ảnh hưởng của một số thành phần trong nước ngầm tới sinh hoạt và sức khỏe con người

và sức khỏe con người [1], [3]

Nước không thể thiếu được trong đời sống của con người từ sinh hoạt cá nhân cho tới hoạt động sản xuất Nhưng không phải nguồn nước nào cũng sử dụng đƣợc, tùy theo mục đích sử dụng khác nhau mà yêu cầu hàm lƣợng các chất trong nước phải khác nhau Nhưng sự có mặt của các ion Fe và Mn trong nước ngầm vẫn luôn ảnh hưởng lớn trong quá trình sử dụng nước dù mục đích sử dụng là gì Nên loại bỏ ion Fe và Mn là ƣu tiên hàng đầu cho quá trình xử lý nước ngầm

Khi sắt có hàm lượng lớn hơn 0,5 mg/l, nước sẽ có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt và dụng cụ trong gia đình, làm hƣ sản phẩm của ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp… Nồng độ 1 - 3 mg/l trong nước yếm khí có thể chấp nhận được cho một mức sinh hoạt về phương diện độc hại Tuy vậy, về cảm quan thì yêu cầu nồng độ thấp hơn Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của Việt Nam là 5 mg/l (QCVN 09:2008/BTNMT)

Với mangan khi vƣợt quá yêu cầu vi lƣợng mà cơ thể động vật và con người cần thiết trong một ngày sẽ ảnh hưởng lớn tới cơ thể như gây độc cho thần kinh, gây bệnh về phổi, ung thư Mangan trong nước thường tồn tại ở dạng muối tan của clorua, sunfat, nitrat Trong quá trình sử dụng nước có chứa hàm lƣợng mangan cao hơn 1,5 mg/l để sản xuất và sinh hoạt sẽ gây cản trở do tạo màu, mùi khó chịu, làm ố bẩn quần áo, dụng cụ sinh hoạt, kết tủa dưới dạng hydroxit đóng cặn đường ống Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định nồng độ dưới 0,5 mg/l Độ đục của nước là thước đo hiện tượng đục của nước Độ đục là do các chất rắn khuấy đục bởi hoạt động của các sinh vật phù du hoặc hoạt động của con người tác động tới đất, nước Độ đục gây ảnh hưởng rất lớn tới việc sử dụng nước, làm tăng nguy cơ các bệnh tiêu hóa, gây mất, hỏng màu vải giặt bằng nước, thực phẩm hỏng màu và mùi Nước có độ đục cao thể hiện sự nhiễm bẩn của nước bởi những chất hòa tan hay lơ lửng không cần thiết như là kết tủa của Fe, Mn hay sự có mặt chất hữu cơ khiến nước không thể sử dụng trong sinh hoạt và tắc hệ thống lọc, nhất là hệ thống dùng màng lọc Hàm lƣợng chất rắn cao gây đóng cặn trong các nồi đun Hỏng thực phẩm, gây mất vệ sinh trong sinh hoạt, hỏng màu vải, đóng cặn trong các bể chứa nước, tắc ống dẫn nước và gây mất mĩ quan nguồn nước

Nước có độ cứng cao gây trở ngại cho sinh hoạt và sản xuất: giặt quần áo tốn xà phòng, nấu thức ăn lâu chín, gây đóng cặn nồi hơi, giảm chất lƣợng sản phẩm

Nước nguồn có độ pH thấp sẽ gây khó khăn cho quá trình xử lý nước Độ kiềm của nước ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hiệu quả xử lý nước Vì thế trong trường hợp nước nguồn có độ kiềm thấp, cần phải bổ sung hóa chất để kiềm hóa nước.

Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ngầm

Để đánh giá chất lượng nước ngầm, người ta đưa ra các chỉ tiêu về chất lượng nước ngầm bao gồm: chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu hóa học và chỉ tiêu vi sinh

1.3.1 Các chỉ tiêu vật lý:

Nước nguyên chất là một môi trường trong suốt và có khả năng truyền ánh sáng tốt, nhưng khi trong nước có tạp chất huyền phù, cặn rắn lơ lửng, các vi sinh vật và cả các hóa chất hòa tan thì khả năng truyền ánh sáng của nước giảm đi Dựa trên nguyên tắc đó mà người ta xác định độ đục của nước Nước có độ đục cao là nước chứa nhiều tạp chất do đó khả năng truyền ánh sáng của nước giảm Có nhiều phương pháp xác định độ đục của nước nên kết quả thường được biểu thị bằng những kết quả khác nhau Ví dụ: Đơn vị JTU (Jackson Turbidity Unit) là đơn vị độ đục khi đo bằng ống đo độ đục Jackson Khi dùng máy đo độ đục Nephel (Nephelmeter) ta lại có đơn vị độ đục FTU hay đơn vị độ đục so sánh với dung dịch tiêu chuẩn (dùng khi độ đục bằng 5 đến 100 đơn vị)

Nước nguyên chất không màu, nước có màu là do các chất bẩn hòa tan trong nước tạo nên Ví dụ các hợp chất sắt không hòa tan làm cho nước có màu đỏ nâu, các chất mùn Humic làm cho nước có màu vàng, các loài thủy sinh làm cho nước có màu xanh lá cây Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thường tạo ra màu xám hoặc đen cho nguồn nước tiếp nhận Các phương pháp xác định độ màu có thể so sánh với dung dịch chuẩn Nessler

Nhiệt độ nước thay đổi theo mùa, chủ yếu ở nước mặt, nước ngầm ít thay đổi hơn (24 - 27 o C) Nhiệt độ của nước có ảnh hưởng đến các quá trình hình thành và xử lý nước

Hàm lượng chất rắn trong nước gồm có chất rắn vô cơ (các muối hòa tan, chất rắn không tan nhƣ huyền phù, đất cát), chất rắn hữu cơ (gồm các vi sinh vật, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, tảo và các chất rắn hữu cơ vô sinh như phân rác, chất thải công nghiệp) Thông thường khi nói đến hàm lượng chất rắn, người ta đưa ra các khái niệm sau:

Tổng hàm lƣợng chất rắn TS (Total Solid): là trọng lƣợng khô tính bằng miligam của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105 o C tới khi có trọng lƣợng không đổi, đơn vị là mg/l Chất rắn lơ lửng SS (Suspended Solid): là trọng lƣợng khô tính bằng miligam của phần còn lại trên giấy lọc khi lọc 1 lít mẫu nước qua phễu, sấy khô ở 105 o C tới khi có trọng lƣợng không đổi, đơn vị là mg/l

Tổng chất rắn hòa tan TDS: bằng hiệu giữa tổng hàm lƣợng chất rắn TS và chất rắn lơ lửng SS:

TDS = TS - SS Chất rắn bay hơi TVS (Volatile Solid): là phần mất đi khi nung chất rắn lơ lửng SS ở 550 o C trong thời gian nhất định Phần mất đi là chất rắn bay hơi, phần còn lại là chất rắn không bay hơi

1.3.2 Các chỉ tiêu hóa học:

 Hàm lƣợng oxy hòa tan DO

Oxy hòa tan trong nước phụ thuộc vào các yếu tố như: áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước bao gồm các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh Các nguồn nước mặt có bề mặt thoáng tiếp xúc trực tiếp với không khí nên thường có hàm lượng oxy hòa tan cao Ngoài ra quá trình quang hợp và hô hấp của vi sinh vật trong nước cũng làm thay đổi lượng oxy hòa tan trong nước Nước ngầm thường có hàm lượng oxy hòa tan thấp do các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong lòng đất đã tiêu thụ một phần oxy

Oxy hòa tan trong nước không tác dụng với nước về hóa học Khi nhiệt độ tăng, khả năng hòa tan oxy trong nước giảm Hàm lượng oxy hòa tan trong nước tuân theo định luật Henry, trong nước ngọt ở điều kiện 1 atm và 0 o C lƣợng oxy hòa tan đạt tới 14,2 mg/l, ở 1 atm và 35 o C giá trị oxy hòa tan chỉ còn 7 mg/l Thông thường nồng độ oxy hòa tan trong nước ở điều kiện tới hạn là 8 mg/l

Khí H2S là sản phẩm của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, phân rác có trong nước thải Khí H2S làm cho nước có mùi trứng thối khó chịu Với nồng độ cao khí H2S mang tính ăn mòn vật liệu Trong nước ngầm, sự hình thành H2S chủ yếu do quá trình khử SO 4 2- thành H 2 S (trong điều kiện yếm khí)

Trong nước ngầm chứa một lượng lớn các anion, một phần do các khí tác dụng với nước, một phần do sự hòa tan của các khoáng chất (trong đất) và do sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ Thường gặp nhất là Cl - , SO4

Các cation Mn 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ thường gặp trong nước ngầm tạo nên độ cứng, độ màu… Nguồn gốc của các cation trong nước ngầm do sự hòa tan của các khoáng chất

 Các hợp chất của nitơ

Các hợp chất của nitơ có trong nước là kết quả của quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ trong tự nhiên, trong các chất thải và các nguồn phân bón mà con người trực tiếp hay gián tiếp đưa vào nguồn nước Các hợp chất này thường tồn tại ở dạng amoniac, nitrit, nitrat và các dạng nguyên tố N2 Dựa vào việc tìm thấy các hợp chất của nitơ mà đánh giá đƣợc mức độ ô nhiễm của nước Trong nước ngầm, do điều kiện không có oxi, vì vậy hợp chất nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng NH 4 +

 Các hợp chất của axit cacbonic Độ ổn định của nước phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa các dạng hợp chất của axit cacbonic Axit cabonic là một axit yếu, trong nước hợp chất này phân ly nhƣ sau:

2- + H2O Tương quan hàm lượng giữa CO2, HCO3

2- ở một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào nồng độ của ion H + , nghĩa là phụ thuộc vào độ pH của nước Khi pH < 4, trong nước chỉ tồn tại CO 2 , khi pH < 8,4 trong nước có cả

CO 2 và HCO 3 - , khi pH < 8,4 lượng CO 2 bị triệt tiêu và trong nước tồn tại cả HCO3

2-, khi pH > 12 trong nước chỉ tồn tại CO3

1.3.3 Các chỉ tiêu vi sinh

Một số phương pháp xử lí sắt, nitrat trong nước ngầm

Trong nước ngầm, hàm lượng sắt và nitrat thường có nồng độ cao và là chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ngầm Vì vậy, một trong những mục tiêu của xử lý nước ngầm là việc xử lý sắt và nitrat đạt hiệu quả Sau đây là một số phương pháp xử lý nước ngầm

1.4.1 Phương pháp xử lý sắt

1.4.1.1 Khử bằng phương pháp làm thoáng a) Phản ứng oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ và thủy phân Fe 3+ trong môi trường tự do (phản ứng đồng thể)

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hydroxit sắt (III) Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền, thường phân ly theo dạng sau:

Nếu trong nước có oxy hòa tan, quá trình oxi hóa và thủy phân diễn ra nhƣ sau

4Fe 2+ + 10H2O + O2 => 4Fe(OH)3 + 8H + Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:

H + + HCO 3 - => H 2 O + CO 2 Sắt (III) hydroxit trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc

Người ta cũng nhận thấy rằng, tốc độ phản ứng oxy hóa sắt tăng khi pH của nước tăng (nồng độ H + giảm) và khi nồng độ hòa tan tăng

Nước ngầm thường không chứa oxy hòa tan hoặc có lượng oxy hòa tan rất thấp Để tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giản nhất là làm thoáng Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt b) Phản ứng oxi hóa Fe 2+ và thủy phân Fe 3+ trong môi trường dị thể của lớp vật liệu lọc (khử sắt bằng làm thoáng đơn giản và lọc)

Trường hợp này làm thoáng chỉ để cung cấp oxi cho nước Khi làm thoáng, Fe 2+ đƣợc oxi hóa thành Fe 3+ với tỉ lệ nhỏ Quá trình oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ thành Fe(OH)3 chủ yếu xảy ra trong lớp vật liệu lọc

Quá trình làm thoáng nhƣ vậy, sẽ tạo ra trên bề mặt các hạt vật liệu lọc một lớp màng Lớp màng này có cấu tạo từ các hợp chất sắt nhƣ: Fe 2+ , Fe 3+ ,

Sau khi lớp màng đƣợc hình thành, sẽ có tác dụng xúc tác làm tăng tốc độ oxi hóa Fe 2+ , lớp màng này còn có khả năng hấp phụ O2 Khi Fe 2+ đến gần bề mặt lớp màng xúc tác, quá trình oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ và thủy phân Fe 3+ thành Fe(OH) 3 xảy ra ngay trên lớp màng Tốc độ oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ và thủy phân Fe 3+ thành Fe(OH)3 ngay trên lớp màng lớn hơn rất nhiều trong môi trường đồng thể Như vậy trong bể lọc không phải chỉ xảy ra quá trình lọc các cặn sắt không tan, mà là một quá trình phức tạp Thời gian để tạo thành lớp màng xúc tác gọi là thời gian luyện vật liệu lọc Thời gian này lớn hay bé phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: cỡ hạt, chiều dày lớp vật liệu lọc, tốc độ lọc, hàm lƣợng cặn Thời gian luyện cát lọc thay đổi trong phạm vi rộng từ 140 đến

330 giờ Để rút ngắn thời gian luyện cát lọc, người ta đưa thêm vào dung dịch

FeSO4 5% với tỉ lệ sao cho hàm lượng sắt trong nước đạt 30 đến 40 mg/l Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu về cấu tạo và thành phần của lớp màng xúc tác, cũng nhƣ tác dụng của nó đối với quá trình khử sắt trong bể lọc Nước sau khi ra khỏi bể lọc, hàm lượng sắt còn lại trong nước đạt tiêu chuẩn nước ăn uống sinh hoạt c) Phản ứng oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ khi có mặt lớp màng xúc tác là oxit mangan

Lớp màng oxit mangan là chất xúc tác làm tăng quá trình oxi hóa Fe 2+ thành Fe 3+ ngay cả trong trường hợp pH thấp Các lớp màng xảy ra như sau:

MnOMn2O7 + 4Fe(HCO3)2 + 2H2O => 3MnO2 + 4Fe(OH)3 + 8CO2

3MnO 2 + O 2 => MnOMn 2 O 7 Dưới tác dụng của lớp màng MnOMn 2 O 7 khi có hợp chất Fe 2+ đi qua, MnOMn2O7 sẽ làm chất xúc tác, kết thúc phản ứng MnOMn2O7 lại đƣợc hình thành, nên lớp màng càng ngày càng dày, quá trình phản ứng xảy ra càng nhanh Trong quá trình sử dụng, lớp màng tăng lên đến một giới hạn nhất định thì phải bỏ lớp màng đi để thay thế

1.4.1.2 Các phương pháp oxy hóa khử bằng hóa chất a, Khử sắt bằng các chất oxi hóa mạnh

Các chất oxi hóa mạnh thường sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3… Khi cho các chất oxi hóa mạnh vào nước, phản ứng diễn ra như sau:

2Fe 2+ + Cl 2 + 6H 2 O => 2Fe(OH) 3 + 2Cl - + 6H + 3Fe 2+ + KMnO4 + 7H2O => 3Fe(OH)3 + MnO2 + K + + 5H + Ở phương pháp này nếu trong nước có tồn tại các hợp chất như: H2S,

NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình khử sắt b, Khử sắt bằng vôi

Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng độc lập, mà kết hợp với các quá trình ổn định nước hoặc làm mềm nước Khi cho vôi vào nước, quá trình khử sắt xảy ra theo 2 trường hợp:

- Trường hợp nước có oxi hòa tan: vôi được coi như chất xúc tác, phản ứng khử sắt diễn ra nhƣ sau:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 => 4Fe(OH)3 + 4Ca(HCO3)2

Sắt (III) hydroxit đƣợc tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại hoàn toàn trong bể lọc

- Trường hợp nước không có oxi hòa tan: khi cho vôi vào nước phản ứng diễn ra nhƣ sau:

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 => FeCO3 + CaCO3 + H2O Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxit sắt

1.4.1.3 Các phương pháp khử sắt khác a, Khử sắt bằng trao đổi cation

Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion Các ion H + và Na + có trong thành phần của lớp vật liệu lọc, sẽ trao đổi các ion Fe 2+ có trong nước Kết quả Fe 2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc Lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion gọi là cationit, thường được sử dụng cho nguồn nước có Fe 2+ ở dạng hòa tan

2[K] Na + Fe(HCO3)2 => [K]2 Fe + 2NaHCO3

Cationit có thể đƣợc tái sinh bằng NaCl và HCl

NaCl + [K] 2 Fe => [K] Na + FeCl 2 HCl + [K] 2 Fe => [K] H + FeCl 2 Cùng với quá trình này, các Ca 2+ , Mg 2+ cũng tham gia trao đổi ion Phương pháp này đem lại hiệu quả khử sắt cao Thường dùng kết hợp với làm mềm nước b, Khử sắt bằng điện phân

Dùng cực âm bằng sắt, nhôm, cùng các cực dương bằng đồng, bạch kim và dùng điện cực hình ống trụ hay hình sợi thay cho tấm điện cực phẳng c, Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật

Cấy các mầm khuẩn sát trong lớp cát lọc của bể lọc Thông qua các hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại bỏ ra khỏi nước d, Khử sắt ngay trong lòng đất

Nguyên nhân gây ô nhiễm và hiện trạng ô nhiễm nước ngầm ở Việt Nam

Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu ở nhiều quốc gia và vùng dân cư trên thế giới Do vậy, ô nhiễm nước ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng môi trường sống của con người Các tác nhân gây ô nhiễm và suy thoái nước ngầm bao gồm:

- Nhiễm mặn: Do khai thác nông nghiệp, chăn nuôi quá tải không đúng cách là nguyên nhân chính cho việc ô nhiễm nguồn nước ngầm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhiễm mặn ở nhiều nơi Mạch nước ngầm một khi đã bị nhiễm mặn khó có thể sử dụng lại được nữa Môi trường nước mặt bị ô nhiễm sẽ dẫn tới ô nhiễm nước ngầm Hiện nay môi trường ô nhiễm nước mặt đang bị ô nhiễm hữu cơ và vi sinh, hàm lƣợng tổng coliform ở mức cao, vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Ở riêng thành phố Hà Nội theo số liệu thống kê của Cục bảo vệ môi trường tháng 5/2006, tổng lượng nước thải sinh hoạt khoảng 450000 m 3 /ngày đêm, một phần đƣợc xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, sau đó xả vào các cống chung hoặc kênh mương, ao hồ Nhiều nơi nước được xả trực tiếp ra sông làm ô nhiễm chất lượng nước các sông

- Các chất phóng xạ có trong các khoáng sản dưới đất, hoặc các chất thải phóng xạ đã không xử lý có thể ngấm dần thông qua các lớp đất và thâm nhập vào nước ngầm sau rất nhiều năm

- Nhiễm asen: Năm 2001, nguy cơ ô nhiễm asen đƣợc Micheal Berg, thuộc viện Liên bang Khoa học và Công nghệ Môi trường Thụy Sĩ công bố trên tạp chí Environmental Science & Technology số tháng 7/2001 là nguồn nước uống ở vùng phía Bắc Việt Nam đã bị nhiễm arsen với nồng độ gấp 5o lần cao hơn định mức của Việt Nam (10 phần tỷ) Nguyên nhân đƣợc tác giả nêu ra là do nguồn nước này lấy từ các giếng ở độ sâu từ 10 đến 35 m Năm

2003, tình trạng ô nhiễm này đã đƣợc chứng minh qua việc khám phá một số bệnh nhân bị bệnh arsenicosis tức là lòng bàn tay và chân bị nám đen

- Ô nhiễm nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD 5 ): Nhu cầu oxy hóa học là một chỉ tiêu cho thấy sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ nhẹ trong nước Ở những vùng phát triển nông nghiệp và công nghiệp, lượng COD và BOD 5 thường tăng cao và đây là báo hiệu cho thấy sự có mặt của hữu cơ và việc thiếu oxy trong nước Ngoài ra, cũng cần kể đến ô nhiễm các tác nhân nhân tạo nhƣ nồng độ kim loại nặng cao, photphat, nitrat, nitrit và amoniac mà nguyên nhân chính là dư lượng của phân bón mà con người sử dụng cho cây trồng

- Ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật: Nhu cầu phát triển nông nghiệp để giải quyết việc gia tăng dân số là nguyên nhân chính của nguy cơ ô nhiễm các hóa chất diệt cỏ, trừ sâu trong nguồn nước ngầm Thời gian bán hủy của chúng rất lâu, nghĩa là chúng có thể tồn tại trong đất lâu dài và sau cùng theo nước mưa thẩm thấu vào nguồn nước ngầm Đây là dấu hiệu cho thấy nguồn nước ngầm không còn là nơi an toàn nhất là đối với các giếng đào và giếng khoan Đây cũng là một cảnh báo rất quan trọng vì những hóa chất này sẽ tích tụ dần trong gan và các mô mỡ, và chỉ phát hiện sau một thời gian dài vài chục năm bị nhiễm độc thầm lặng một khi đã phát hiện đƣợc thì nguy cơ tử vong cao

Như vậy tình trạng ô nhiễm và suy thoái nước ngầm đang báo động nghiêm trọng ở các khu vực đô thị và các thành phố lớn trên thế giới Riêng ở

Hà Nội một số nơi đã xảy ra lún đất, biến dạng bề mặt đất, giếng đã bị tụt nước ngầm trên 10 m và lưu lượng giảm đi một nửa so với ban đầu Để hạn chế tác động ô nhiễm và suy thoái nước ngầm cần phải tiến hành đồng bộ các công tác điều tra, thăm dò trữ lượng và chất lượng nguồn nước ngầm, xử lý nước thải và chống ô nhiễm các nguồn nước mặt, quan trắc thường xuyên trữ lượng và chất lượng nước ngầm

- Ô nhiễm nitrit và các hợp chất chứa nitơ

Chu trình của nitơ chủ yếu là các phản ứng liên quan đến sinh học Tất cả các phản ứng trong chuỗi:

Và các phản ứng ngƣợc lại thành N2 đều có thể do vi sinh vật thực hiện Các hợp chất của nitơ xuất hiện nhiều trong nước như NH 4 + , NO 2 - , NO 3 - là quá trình phân huỷ các sinh vật yếm khí (NH 4 + ), hiếm khí (NO 2 - , NO3

- ) các chất hữu cơ chứa nitơ từ xác các sinh vật, chất thải hữu cơ Ngoài ra nitrit và nitrat còn tìm thấy nhiều trong sản phẩm thịt và rau quả Khi hàm lƣợng những chất này lớn gây ra ô nhiễm môi trường nước và gây nguy hiểm tới con người

Hình 1.1: Các nguồn gây ô nhiễm nước ngầm [13]

1.5.2 Hiện trạng ô nhiễm nước ngầm

Cách đây khoảng 5, 6 năm nước ngầm được coi là loại nước sạch không cần xử lý phức tạp đã có thể đạt yêu cầu về nước cấp nhưng những năm tiếp theo càng ngày nước càng bị ô nhiễm Chất lượng nước đầu vào ngày càng không đáp ứng được yêu cầu nước cấp Hàm lượng các chất hòa tan, kim loại, chất hữu cơ, mực nước sụt giảm càng ngày càng nghiêm trọng Việc bỏ hoang các giếng khoan do không thể khai thác nước ngầm nữa diễn ra lan tràn cần có biện pháp bảo vệ nước ngầm nhanh chóng Nước ngầm bị hủy hoại đồng nghĩa với môi trường nước và môi trường đất bị ảnh hưởng trầm trọng Đây là vấn đề không chỉ riêng quốc gia nào mà trên toàn thế giới Ở Việt Nam tình trạng ô nhiễm nước ngầm rất phổ biến và nghiêm trọng Ở đồng bằng Bắc Bộ mực nước ngầm hạ sâu, như khu vực Mai Dịch (Cầu Giấy - Hà Nội) Vào mùa khô 7/7 mẫu đều có hàm lƣợng amoni cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Riêng ở Tân Lập (Đan Phƣợng - Hà Nội), hàm lƣợng amoni lên đến 23,30 mg/l (gấp 233 lần tiêu chuẩn cho phép) Ngoài ra, còn có 17/32 mẫu có hàm lƣợng mangan (Mn) vƣợt quá hàm lƣợng tiêu chuẩn, 4/32 mẫu có hàm lƣợng Asen (As) vƣợt tiêu chuẩn Ở đồng bằng Nam Bộ tại một số điểm quan trắc mực nước đã hạ thấp sâu đặc biệt ở khu vực quận 12 quận Bình Tân (TP Hồ Chí Minh) Hàm lƣợng mangan và metan cũng vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép Còn tại khu vực Hà Giang - Tuyên

Quang, hàm lượng sắt ở một số nơi cao vượt mức QCCP thường trên 1mg/l, có nơi đạt đến trên 15 - 20 mg/l, tập trung chủ yếu quanh các mỏ khai thác sunfua Với cách xử lý nước ngầm đơn giản chỉ bằng phương pháp lọc có tới 2/3 số hộ gia đình ở Việt Nam đang dùng nước ngầm bị nhiễm kim loại nặng Đặc biệt ở các vùng như Vĩnh Phúc, Hà Nội, Nam Định tỷ lệ người dân sử dụng nước nhiễm kim loại còn cao hơn Nhiều vùng xảy ra hiện tượng sụt giảm nước ngầm một cách trầm trọng, nhiễm mặn nguồn nước như Huyện

Mỹ Xuyên, huyện Trần Đề, thị xã Vĩnh Châu, TP Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng

Do thường xuyên bị khô hạn, nguồn nước bị ô nhiễm và nhiễm mặn nên người dân chọn cách khai thác nước ngầm để sinh hoạt hằng ngày, phục vụ sản xuất nông nghiệp và công nghiệp Để khai thác nước ngầm, các hộ dân thường khoan giếng, cây nước (bơm tay và bơm máy) xuống lòng đất khoảng

90 m để hút nước lên Tuy nhiên, do khai thác quá mức nên mực nước ngầm ngày càng cạn kiệt, khoảng 6 năm trước, người dân cho khoan giếng lấy nước ngầm rất dễ dàng nhưng 2 năm trở lại đây, nguồn nước bị cạn kiệt, nên người dân phải thuê người khoan sâu hơn nữa mới lấy được nước Theo sở TN&MT tỉnh Sóc Trăng nhận định thì hiện nay mực nước ngầm tại địa bàn sụt giảm rất cao và kèm theo xu hướng mặn hóa cao, ô nhiễm nguồn nước càng tăng Không riêng Sóc Trăng, các địa phương khác của vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long nhƣ Cần Thơ, Cà Mau, Bạc Liêu, An Giang… cũng xảy ra tình trạng trên Theo thống kê của Sở TN&MT tỉnh Cà Mau, hiện toàn tỉnh có 180000 giếng nước ngầm, trong đó có 40000 giếng nước bị ô nhiễm nghiêm trọng

Nếu các cơ quan có thẩm quyền còn tiếp tục không kiểm soát tình hình khai thác nước ngầm bừa bãi hiện nay thì việc nước ngầm ô nhiễm trầm trọng và cạn kiệt là điều không thể tránh khỏi.

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu

Góp phần nâng cao chất lượng nước sinh hoạt cho người dân tại xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ

- Thiết kế xây dựng được thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm để xử lý nước ngầm tại xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ;

- Đánh giá được hiệu quả xử nước ngầm (lấy tại xã Văn Khúc của thiết bị), từ đó đề xuất thiết bị quy mô hộ gia đình cho địa phương.

Đối tƣợng nghiên cứu

Mẫu nước nghiên cứu được lấy tại một số giếng khoan thuộc xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ.

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước ngầm tại xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ;

- Tính toán thiết kế và lắp đặt thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm;

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước ngầm của thiết bị;

- Đề xuất xây dựng thiết bị xử lý nước ngầm quy mô hộ gia đình cho khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp thu thập và kế thừa tài liệu

Là phương pháp sử dụng các tài liệu đã được công bố của các công trình nghiên cứu khoa học, văn bản mang tính pháp lý, những tài liệu điều tra của các cơ quan thẩm quyền liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của đề tài Phương pháp này rất cần thiết và được nhiều người sử dụng trong quá trình nghiên cứu Từ các tài liệu thu thập đƣợc giúp đề tài tổng kết lại kinh nghiệm và kế thừa có chọn lọc thành nghiên cứu từ trước đến nay

Những tài liệu cần thu thập đƣợc:

- Sách báo, luận văn, tạp trí và các trang web

- Tình hình ô nhiễm nước ngầm hiện nay

2.4.2 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu và phân tích các chỉ tiêu trong nước ngầm

Phương pháp này được sử dụng để thực hiện nội dung thứ nhất và thứ ba

2.4.1.1 Phương pháp lấy mẫu nước ngầm

- Để lấy được nước ngầm, đề tài sử dụng TCVN 6000 - 1995 hướng dẫn kĩ thuật lấy mẫu nước ngầm và TCVN 5993-1995 (ISO 5667 - 3: 1985), chất lượng nước, lấy mẫu - Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu nước ngầm

- Đề tài tiến hành lấy 15 mẫu nước giếng khoan tại địa điểm nghiên cứu

- Tại mỗi điểm lấy 2 mẫu đựng trong chai nhựa PE có thể tích 500ml

- Vị trí các mẫu đƣợc lấy nhƣ sau:

Bảng 2.1: Vị trí các điểm lấy mẫu

STT Kí hiệu mẫu Địa điểm lấy mẫu

1 M1 Nhà ông Quỳnh, thôn Đình

2 M2 Nhà ông Quân, thôn Đồng

3 M3 Nhà bà Thịnh, thôn Quang Trung

4 M4 Nhà ông Hải, thôn Nguyễn Huệ

5 M5 Nhà bà Định, thôn Liên Tiếp

6 M6 Nhà bà Thúy, thôn Liên Tiếp

7 M7 Nhà bà Trung, thôn Hoa Triệu

8 M8 Nhà ông Long, thôn Gò Khế

9 M9 Nhà bà Tiến, thôn Gò Làng

10 M10 Nhà ông Khang, thôn Rừng Vầu

11 M11 Nhà ông Bình, thôn An Ninh

12 M12 Nhà ông Thành, thôn Bến Phường

13 M13 Nhà ông Hùng, thôn Bến Phường

14 M14 Nhà ông Thành, thôn Đồng Phai

15 M15 Nhà ông Hải, thôn Đồng Phai

2.4.1.2 Phương pháp phân tích các thông số trong phòng thí nghiệm a Phương pháp xác định sắt

- Dung dịch chuẩn gốc Fe 3+ nồng độ 0,01 mg/ml

- Dung dịch axit Sunfosalixilic 20%: cân 20g axit Sunfosalixilic, sau đó thêm vào 180 ml nước cất để hòa tan hoàn toàn lượng axit trên

- NH 4 Cl 2N: cân 107 gam muối NH 4 Cl hòa tan và định mức tới vạch trong bình định mức 1000 ml

- Lấy lần lƣợt 0, 1, 3, 5, 7, 10 ml dung dịch chuẩn sử dụng nồng độ 0,01 mg/ml cho vào bình định mức 50 ml

- Thêm nước cất đến khoảng nửa bình định mức

- Thêm vào 2 ml NH 4 Cl 2N

- Thêm tiếp vào 2 ml dung dịch axit sunfosalixilic rồi nhỏ từng giọt dung dịch NH 3 vào dung dịch đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng, thêm tiếp vào 1 ml dung dịch NH 3 để ổn định màu rồi định mức đến vạch Sau đó mang đi so màu quang điện ở bước sóng 430 nm

Hình 2.1: Đường chuẩn của sắt

Phương trình đường chuẩn xác định được có dạng Abs = 0,1301  C – 0,0008, hệ số tương quan R 2 = 0.982 Với phương pháp này đảm bảo độ đúng rất cao trong quá trình phân tích

- Lấy 250 ml mẫu nước cô đặc xuống 50 ml để làm giàu mẫu, sau đó tiến hành lọc qua giấy lọc để loại bỏ các chất rắn lơ lửng

- Lấy 25 ml dung dịch sau khi làm giàu cho vào bình định mức 50 ml sau đó tiến hành các bước như xây dựng đường chuẩn b Phương pháp xác định nitrat

- Lấy lần lƣợt 0, 1, 3, 5, 7, 10 ml dung dịch chuẩn NO 3 - có nồng độ 0,1 mg/ml cho vào 6 cốc chịu nhiệt Thêm nước cất đến thể tích 30 ml rồi cô cạn trên bếp cách thủy

- Thêm 2ml dung dịch axit disunfofemic vào phần cặn trong chén và dùng đũa thủy tinh nhỏ, sạch hòa tan hoàn toàn

- Chuyển dung dịch vào bình định mức 50 ml

- Sau đó thêm 20 ml nước cất

- Thêm tiếp 5 - 7 ml NH 3 đặc hoặc KOH 12N

- Cuối cùng định mức đến vạch bằng nước cất và tiến hành đo mật độ quang tại bước sóng 410 nm

Hình 2.2: Đường chuẩn của nitrat

Phương trình đường chuẩn xác định được có dạng Abs = 0,1048C + 0,0049, hệ số tương quan R 2 = 0.981 Với phương pháp này đảm bảo độ đúng rất cao trong quá trình phân tích

- Lấy 30 ml mẫu nước cho lọc qua giấy lọc để loại bỏ chất rắn

- Chuyển vào chén sứ và cô cạn trên bếp cách thủy

- Thêm 2 ml dung dịch axit disunfofemic vào phần cặn trong chén và dùng đũa thủy tinh nhỏ, sạch hòa tan hoàn toàn

- Cho dung dịch vào bình định mức 50 ml

- Sau đó thêm 20 ml nước cất, 6 - 7 ml NH 3 đặc hoặc KOH 12N Định mức đến vạch bằng nước cất, tiến hành đo mật độ quang tại bước sóng 410 nm c Phương pháp xác định độ đục

Dùng máy đo độ đục xác định, đơn vị đo là NTU d Phương pháp xác định chất rắn hòa tan (TDS)

Dùng máy đo nhanh để xác định

Hình 2.3: Máy so màu quang điện, máy đo độ đục, máy đo TDS

2.4.3 Phương pháp thiết kế, lắp đặt thiết bị xử lý nước ngầm Để dễ dàng triển khai, áp dụng vào quy mô hộ gia đình thì phương pháp xử lý nước ngầm thích hợp là phương pháp lọc qua vật liệu lọc Do đó trong nghiên cứu này, đề tài thiết kế các bể thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm với 2 bể có kích thước là: 10×20×120 cm (dài rỗng cao) để tiến hành lọc nước

Hình 2.4: Thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm

2.4.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý của thiết bị Đề tài tiến hành lấy mẫu nước tại các hộ gia đình cho vào bể chứa nước Nước nghiên cứu được máy bơm bơm từ bể chứa số 1 qua đường ống tạo giàn phun mƣa nhằm oxi hóa sắt sau đó đi vào bể lọc

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu nội nghiệp

Các số liệu thu đƣợc trong quá trình thực hiện đề tài sẽ đƣợc đƣa vào xử lý trên máy tính bằng phần mền excel, phân tích tổng hợp theo nội dung nghiên cứu

Tính nồng độ Fe có trong mẫu nước

CFe = C đc * f / F (mg/l) Tính nồng độ nitrat có trong mẫu nước

CFe: nồng độ của Fe có trong mẫu nước phân tích (mg/l)

Cđc: nồng độ của Fe tính theo đường chuẩn (mg/l)

F: hệ số làm giàu mẫu phân tích f: tỉ lệ giữa thể tích mẫu sau khi làm giàu trên thể tích mẫu lẫy cho phản ứng hiện màu

- trong mẫu (mg/l) C: Nồng độ NO3

- đường chuẩn (mg/l) V: Thể tích dung dịch đem so màu (ml)

V 1 : Thể tích mẫu đem phân tích (ml)

2.4.6 Phương pháp so sánh, đánh giá

Kết quả thu đƣợc của các thí nghiệm đem so sánh với nhau và với quy chuẩn Việt Nam Để từ đó đánh giá đƣợc mức độ ô nhiễm và hiệu suất xử lý của mô hình nghiên cứu.

ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ, XÃ HỘI CỦA VÙNG

Điều kiện tự nhiên

Văn Khúc là một xã miền núi cách trung tâm huyện Cẩm Khê 15 km, có tổng diện tích tự nhiên là: 935,66 ha Toàn xã có 14 khu hành chính

- Phía Đông giáp xã Hiền Đa, Cát Trù

- Phía Tây giáp xã Đồng Lạc

- Phía Nam giáp xã Yên Dƣỡng

- Phía Bắc giáp xã Chương Xá, Phú Lạc

Phía Tây của xã có 6,7 km đường tỉnh lộ 313C chạy qua đi thị trấn Yên Lập

3.1.2 Địa hình và đất đai

Xã Văn Khúc đƣợc chia làm 14 khu hành chính Là một xã địa hình bán sơn địa, đồi gò kết hợp với đồng bằng nhỏ hẹp, địa bàn rộng đường giao thông đi lại giữa các thôn xóm gặp nhiều khó khăn nhất là vào mùa mƣa bão Địa hình của xã cao dần từ đông sang tây, có độ cao trung bình từ 50 – 70 m độ dốc hầu hết từ 10 – 20 0

Xã Văn Khúc mang đặc điểm chung của miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, và chia làm 2 mùa rõ rệt:

Mùa khô hanh kéo dài từ 15/10 đến 15/4 năm sau

Mùa mƣa nóng và ẩm kéo dài từ 16/4 đến 14/10

Nhiệt độ trung bình hàng năm là 23 o C , nhiệt độ thấp nhất là tháng 12, 1,

2, trung bình từ 16 – 18 o C Lƣợng mƣa trung bình 1719 mm Tóm lại khí hậu của huyện Cẩm Khê nói chung và xã Văn Khúc nói riêng có đủ lƣợng nhiệt, ánh sáng mặt trời hàng năm có khoảng 1720 giờ nắng, tích ôn hữu hiệu khoảng

8000 0 C, ẩm độ cao, lƣợng mƣa dồi dào thuận lợi cho phát triển nhiều loại cây trồng; cây lương thực như lúa, ngô, khoai, sắn; cây lương thực như rau, đậu, đỗ; cây ăn quả bưởi, vải, nhãn

Văn Khúc có 119,03 ha ao hồ mặc dù diện tích tự nhiên này không lớn nhƣng có vị trí quan trọng phục vụ dân sinh và sản xuất nông nghiệp (nguồn nước tưới, điều kiện khí hậu) Toàn xã có tới 47% diện tích đất đai phụ thuộc vào nước trời

Bảng 3.1: Số liệu khí hậu trung bình các năm 2006 – 2011

Tháng Nhiệt độ ( o C) Lƣợng mƣa

(mm) Độ ẩm (%) Số giờ nắng (giờ)

(Nguồn: UBND xã Văn Khúc)

Điều kiện kinh tế, xã hội

3.2.1 Dân số và lao động

Lao động là yếu tố đặc biệt quan trọng trong việc phát triển kinh tế Chính vì vậy để có những biện pháp tổ chức, sử dụng hợp lý nguồn lao động sao cho phù hợp và đạt hiệu quả cao thì việc xem xét và đánh giá tình hình dân số lao động là vô cùng quan trọng Thống kê tình hình dân số và lao động của xã trong 3 năm 2012 đến năm 2014

Qua 3 năm nhân khẩu của xã bình quân tăng 0,22% năm Năm 2012 có người 4965 và đến năm 2014 là người 4987 Trong đó khẩu nông nghiệp chiếm đa số

Tổng số hộ của xã trong 3 năm tăng lên, bình quân tăng 1,29 %, số hộ trong xã đƣợc chia làm 2 loại chính đó là hộ thuần nông và hộ phi nông nghiệp Hộ thuần nông vẫn chiếm tỷ lệ cao nhất (91,27 %), tuy nhiên qua các năm thì các hộ sản xuất nông nghiệp có xu hướng giảm, bình quân mỗi năm giảm 1,21 % Cùng với sự phát triển của nền kinh tế nhiều hộ đang có xu hướng tách ra khỏi sản xuất nông nghiệp, chuyển sang làm ngành nghề hoặc buôn bán dịch vụ, loại hộ này những năm gần đây có xu hướng tăng với mức độ chậm bình quân là 2,61 %

Về lao động: Lao động của xã chia làm 2 loại chính là lao động nông nghiệp và lao động phi nông nghiệp, trong 3 năm lao động nông nghiệp tăng bình quân/năm từ 2045 lao động năm 2011 lên 2060 lao động năm 2013 Lao động phi nông nghiệp, loại hình này có tốc độ tăng nhƣng với mức độ chƣa cao bình quân mỗi năm tăng từ 115 lao động năm 2011 lên 122 lao động năm

2013 Nhƣ vậy sự chuyển dịch về cơ cấu hộ và cơ cấu lao động ở xã có xu hướng tích cực, có xu hướng tách dần khối nông nghiệp Do vậy còn gặp rất nhiều khó khăn trong việc chuyển dịch cơ cấu ngành nông nghiệp sang dịch vụ cũng nhƣ lao động nông nghiệp sang lao động phi nông nghiệp

Văn Khúc có đường tỉnh lộ 313 C (Văn Khúc – Yên Lập) rất thuận tiện cho các phương tiện giao thông cơ giới đi lại Với hệ thống đường giao thông như vậy đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc thông thương hàng hoá dịch vụ góp phần cho phát triển kinh tế của địa phương

Nhìn chung các công trình thuỷ lợi của xã Văn Khúc chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu sản xuất nông nghiệp Nguyên nhân do Văn Khúc là một xã miền núi nguồn thu tại địa bàn gần nhƣ không đáng kể chủ yếu là chờ hỗ trợ ngân sách nhà nước nên đầu tư xây dựng các công trình công cộng tại địa phương gặp rất nhiều khó khăn chưa đáp ứng được tốc độ phát triển theo nền kinh tế thị trường hiện nay, hệ thống kênh mương phục vụ sản xuất nông nghiệp, nhiều chỗ còn ách tắc gây ngập úng cục bộ cho diện tích cấy lúa trồng ngô và các loại cây trồng khác của địa phương Từ năm 2010 Đảng uỷ, chính quyền địa phương đã có chủ trương khắc phục khó khăn sửa chữa và khôi phục trạm bơm, khơi thông hệ thống kênh mương nội đồng phục vụ cho sản xuất nông nghiệp trong mùa khô Nhưng đến nay số diện tích được tưới chỉ đạt khoảng 50%, số diện tích còn lại phải nhờ nguồn nước tự nhiên, nước mưa và nhân dân phải dùng máy bơm dầu, bơm điện loại nhỏ khắc phục khó khăn để sản xuất

Xã Văn Khúc có 01 trường trung học, 01 trường tiểu học, 01 trường mầm non Điều kiện cơ sở vật chất trường học thường xuyên được nâng cấp, số lượng học sinh đến trường đảm bảo đúng độ tuổi, tỷ lệ lên lớp thẳng đạt 97% Công tác phát hiện bồi dƣỡng học sinh có năng khiếu, học sinh giỏi được các cấp quan tâm thường xuyên Công tác y tế học đường và giáo dục thể chất ngày đƣợc chú trọng, công tác xã hội giáo dục đƣợc đẩy mạnh Đội ngũ giáo viên đƣợc chuẩn hoá theo quy định

Xã có 01 hệ thống đài truyền thanh với 10 loa lắp đặt tại 6 điểm trung tâm của các khu dân cƣ và UBND xã Cung cấp thông tin về kinh tế, văn hóa, xã hội, đảm bảo thông tin đến với người dân Bên cạnh đó mạng lưới điện thoại ngày càng phát triển tạo điều kiện cho việc nắm bắt thông tin, trao đổi thông tin trên mọi lĩnh vực

- Giữ vững ổn định an ninh trong xã, thực hiện tốt công tác an ninh quốc phòng tại địa phương

- Làm tốt công tác tham mưu cho cấp ủy Đảng, chính quyền địa phương lãnh đạo chỉ đạo thực hiện nhiệm vụ công tác quốc phòng quân sự địa phương

- Làm tốt công tác tuyển quân đi nghĩa vụ quân sự

- Xuống các thôn, xóm nắm bắt tình hình an ninh chính trị, trật tự an toàn xã hội

- Phối hợp với các ban, ngành đoàn thể tuyên truyền Luật nghĩa vụ quân sự, pháp lệnh dự bị động viên và các văn bản pháp luật khác cho lực lƣợng dân quân, dự bị động viên và quần chúng nhân dân đƣợc 7 lần = 1232 lƣợt người nghe

- Duy trì thường xuyên quy chế phối hợp hai lực lượng, công an, quân sự trao đổi thông tin, giao ban hàng tháng

- Tình hình an ninh trật tự xã hội đƣợc giữ vững, các vụ việc xảy ra trên địa bàn xã đƣợc giải quyết kịp thời; phong trào quần chúng bảo vệ an ninh tổ quốc hoạt động tốt, phát huy hiệu quả

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Thực trạng nước ngầm tại xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ

Để chọn phương án xử lý thích hợp ta cần đánh giá mức độ ô nhiễm của nguồn nước Kết quả khảo sát là căn cứ cho việc lựa chọn các thông số để xử lý và đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý nước Chất lượng nước nghiên cứu được trình bày ở các bảng dưới đây:

Bảng 4.1: Kết quả khảo sát một số thông số nước ngầm tại điểm nghiên cứu

STT Ký hiệu mẫu Địa điểm lấy mẫu Nồng độ sắt (mg/l)

Chất rắn tổng số (mg/l) Độ đục (NTU)

1 M1 Nhà ông Quỳnh, thôn Đình 10,06 85,12 1500 3,10

2 M2 Nhà ông Quân, thôn Đồng 11,23 17,47 2340 5,20

3 M3 Nhà bà Thịnh, thôn Quang Trung 14,25 18,90 7200 10,05

4 M4 Nhà ông Hải, thôn Nguyễn Huệ 12,34 91,80 5740 8,04

5 M5 Nhà bà Định, thôn Liên Tiếp 15,20 15,94 2190 4,80

6 M6 Nhà bà Thúy, thôn Liên Tiếp 12,56 30,96 3740 5,60

7 M7 Nhà bà Trung, thôn Hoa Triệu 15,96 42,13 7440 10,20

8 M8 Nhà ông Long, thôn Gò Khế 15,06 18,94 4960 7,70

9 M9 Nhà bà Tiến, thôn Gò Làng 13,09 28,06 8010 10,50

10 M10 Nhà ông Khang, thôn Rừng Vầu 14,58 70,53 4930 7,60

11 M11 Nhà ông Bình, thôn An Ninh 10,49 81,16 4690 7,30

12 M12 Nhà ông Thành, thôn Bến Phường 11,97 65,08 4800 7,75

13 M13 Nhà ông Hùng, thôn Bến Phường 13,68 54,70 7890 10,80

14 M14 Nhà ông Thành, thôn Đồng Phai 11,43 96,24 5430 8,00

15 M15 Nhà ông Hải, thôn Đồng Phai 11,98 37,06 11940 11,00

Kết quả thu đƣợc đem so sánh với

- QCVN 01 : 2009/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nước ăn uống

- QCVN 09 : 2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nước ngầm

Bảng 4.2: giới hạn một số thông số trong quy chuẩn Việt Nam

QCVN 09 : 2008/BTNMT Độ đục (NTU) 2 -

Chất rắn hòa tan (mg/l) 1000 -

Hình 4.1: Biểu đồ thể hiện nồng độ sắt trong nước khu vực nghiên cứu so với quy chuẩn Việt Nam

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện nồng độ nitrat trong nước khu vực nghiên cứu so với quy chuẩn Việt Nam

Hình 4.3: Biểu đồ thể hiện độ đục trong nước khu vực nghiên cứu so

Hình 4.4: Biểu đồ thể hiện hàm lượng chất rắn tổng số trong nước khu vực nghiên cứu so với quy chuẩn Việt Nam với quy chuẩn Việt Nam

Hình 4.5: Hình ảnh phân tích sắt trong mẫu nước ngầm

Hình 4.6: Các mẫu có nồng độ nitrat cao

- Từ bảng kết quả và biểu nhận thấy tất cả các thông số tiến hành nghiên cứu đều vƣợt quá quy chuẩn cho phép

- Nồng độ sắt: có 15/15 mẫu vƣợt quá từ 33,5 đến 53,2 lần so với QCVN

01 : 2009/BYT và vƣợt quá từ 2 đến 3 lần so với QCVN 09 : 2008/BTNMT

- Nồng độ nitrat: có 15/15 mẫu vƣợt quá từ 1,06 đến 6,5 lần so với QCVN 09 : 2008/BTNMT

- Hàm lƣợng chất rắn tổng số: có 14/15 chiếm 93,3% mẫu vƣợt quá từ 1,55 đến 12 lần so với QCVN 01 : 2009/BYT

- Độ đục: có 15/ 15 mẫu vƣợt quá từ 1,55 đến 5,5 lần so với QCVN 01 : 2009/BYT

 So sánh mức độ ô nhiễm nước ngầm của hai vùng xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ và xã Thanh Thủy, huyện Thanh Hà, tỉnh Hải Dương

Bảng 4.3: Bảng so sánh mức độ ô nhiễm nước ngầm ở hai vùng

Số lần vượt quá QCCP Phú Thọ Hải Dương [12]

Sắt (mg/l) 49,07 – 53,27 33,5 – 53,2 Độ đục (NTU) 5 – 5,5 1,55 – 5,5

Như vậy, nước ngầm tại địa điểm nghiên cứu có nồng độ của các thông số quá cao so với tiêu chuẩn, không đủ điều kiện để dùng trong sinh hoạt của người dân, sẽ gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người sử dụng trực tiếp nguồn nước nhưng hầu hết các hộ dân tại địa phương chưa tiến hành xử lý nước trước khi sử dụng Một số ít có sử dụng bể lọc nước với cát, than và sỏi đạt hiệu quả chƣa cao, chƣa xử lý đƣợc nitrat Vì vậy cần phải tiến hành xử lý các thành phần trong nước như Fe, NO3 -, độ đục, TDS đạt hiệu quả cao để đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Kết quả tính toán các thông số và lắp đặt thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm

Sau khi tiến đánh giá chất lượng nước ngầm tại địa điểm nghiên cứu đề tài tiến hành đề xuất thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm nhƣ sau:

Hình 4.7: Thiết bị xử lý nước ngầm quy mô phòng thí nghiệm

Hình 4.8: Các lớp vật liệu lọc và máy bơm nước

 Hệ thống xử lý bao gồm

 Bể đựng nước chưa qua xử lý có kích thước 10 × 20 × 120 cm

- Vật liệu lọc (từ trên xuống dưới): Lớp cát sạch 30 cm

Hạt nhựa trao đổi ion 20 cm Than hoạt tính 15 cm

Lớp cát lớn 10 cm Lớp sỏi 20 cm

- Tốc độ lọc của bể là: 0,85 l/ph

 Nguồn nước nghiên cứu: lấy từ các giếng khoan có độ sâu từ 15 đến 40 m dưới lòng đất

Đánh giá hiệu quả xử lý nước ngầm của thiết bị

Đề tài tiến hành cho các mẫu có nồng độ sắt, nitrat, chất rắn tổng số và

Bảng 4.3: Kết quả phân tích nước đã qua bể lọc (nước sau xử lý) Chỉ tiêu

Chất rắn hòa tan (mg/l) Độ đục (NTU) Đầu vào Đầu ra

Hiệu suất xử lý (%) Đầu vào Đầu ra

Hiệu suất xử lý (%) Đầu vào Đầu ra

Hiệu suất xử lý (%) Đầu vào Đầu ra

Hình 4.9: Nồng độ sắt của nước sau xử lý so với quy chuẩn

Hình 4.10: Nồng độ nitrat của nước sau xử lý so với quy chuẩn

Hình 4.11: Hàm lượng chất rắn tổng số của nước sau xử lý so với quy chuẩn

Hình 4.12: Độ đục của nước sau xử lý so với quy chuẩn

- Nồng độ sắt trong 4 mẫu sau xử lý có 3/4 mẫu chiếm 75% đạt QCVN

01 : 2009/BYT và 4/4 mẫu chiếm 100% đạt QCVN 09 : 2008/BTNMT Hiệu suất xử lý cao đạt 98,6%

- Nồng độ nitrat trong 4 mẫu sau xử lý có 3/4 mẫu chiếm 75% đạt QCVN 09 : 2008/BTNMT Hiệu suất xử lý cao nhất đạt 76,22%

- Hàm lƣợng chất rắn tổng số: tất cả các mẫu sau xử lý đều đạt quy chuẩn cho phép Hiệu suất xử lý cao nhất đạt 98,57%

- Độ đục trong 4 mẫu sau xử lý tất cả đều đạt quy chuẩn cho phép Hiệu suất xử lý cao nhất đạt 99,91%

Nước sau khi qua xử lý của hệ thống lọc đảm bảo được nồng độ của các thông số đạt quy chuẩn sẽ không gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của người dân sử dụng trực tiếp nguồn nước, đạt được hiệu quả mong muốn Khả năng xử lý tăng lên sau một khoảng thời gian do lớp màng sắt (III) hydroxit đƣợc hình thành nhiều hơn

Một số mẫu sau xử lý chưa đạt quy chuẩn cho phép là do nồng độ trước xử lý quá cao Vì vậy đối với những mẫu nước có nồng độ cao nên thiết kế các lớp vật liệu lọc dày hơn.

Đề xuất mô hình xử lý nước ngầm quy mô hộ gia đình cho địa bàn xã Văn Khúc, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ

4.4.1 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm quy mô hộ gia đình

Dựa vào thành phần, tính chất của nước ngầm tại địa bàn xã đề tài đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm như sau:

Hình 4.13: Sơ đồ công nghệ

- Giếng khoan: là công trình thu nước ngầm từ vài chục đến vài trăm mét

Giếng khoan Bơm Bể lọc Bể đựng nước sạch

- Bơm: dùng để đưa nước lên bể Nên chọn lựa máy bơm phù hợp với lưu lượng ngày dùng của gia đình

- Bể lọc: bao gồm các lớp vật liệu lọc nhƣ sau

 Lớp trên cùng là cát hạt nhỏ có kích thước hạt 0,3 – 0,5 mm dày 30 cm

 Lớp tiếp theo là hạt nhựa trao đổi ion dày 20 cm

 Than hoạt tính dày 15 cm với kích thước 0,8 – 1,6 mm

 Lớp cát hạt to dày 10 cm

Giữa các lớp vật liệu lọc phải có lưới ngăn cách

Hình 4.14: Mô hình bể lọc nước

4.4.3 Quá trình thu gom nước

Nước từ giếng khoan được bơm lên đi qua đường ống đã được đục lỗ để tạo mƣa, nhằm cung cấp oxy tạo điều kiện cho sắt kết tủa và tăng pH Qua lớp cát trên cùng, nước đã được lọc sơ các loại bụi bẩn, sinh vật và sắt Nước sẽ đi qua lớp hạt nhựa trao đổi anion để loại bỏ ion NO3

- Nước tiếp tục thấm qua lớp than hoạt tính Lớp than hoạt tính này có tác dụng hấp phụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguy hiểm và trung hòa các khoáng chất khó hoàn tan trong nước Qua lớp than hoạt tính, nước tiếp tục thấm qua lớp cát lớn, lớp sỏi nhỏ và lớp sỏi lớn nhất để đi ra bể chứa nước sạch Ống nước đặt dưới lớp sỏi đỡ có khoan lỗ đường kính khoảng 5 mm dọc thân ống, còn đầu ống phía trong được bịt lại Như vậy, nước sẽ thấm qua các lỗ nhỏ rải đều trên ống chứ không chảy trực tiếp vào đầu ống

Phương pháp rửa lọc của bể lọc này là làm thủ công Do lớp than hoạt tính phía dưới lớp cát và nhẹ hơn cát nên không thể rửa ngược được vì dùng phương pháp rửa ngược sẽ gây nên xáo trộn lớp vật liệu lọc

Sau 3 - 6 tháng, ta phải bỏ lớp màng vi sinh đóng trên bề mặt lớp cát trên cùng bằng cách: khuấy đều lớp nước mặt (để nước khoảng 2 - 3 cm), rồi mở van xả phèn phía trên để nước có chứa cặn sẽ bị trôi ra ngoài, làm lại một hai lần để nước sạch hoàn toàn Sau đó ta nạo từ từ lớp cát bên trên đem rửa sạch Sau 9 tháng đến 12 tháng thì thay toàn bộ cát và than hoạt tính

Riêng lớp hạt nhựa để có thể sử dụng tiếp ta phải tái sinh bằng cách cho dung dịch NaCl hoặc NaOH

4.4.5 Tính toán chi phí xây dựng bể lọc

- Chi phí xây bể lọc và bể đựng nước sau lọc với kích thước

 Bể đựng nước sau lọc: 1×1,5×1,2 m

Bảng 4.4: Chi phí xây dựng bể

STT Vật liệu Đơn vị tính Số lƣợng Giá thành

- Chi phí mua các loại vật liệu lọc nước

Dựa vào kích thước của bể lọc để tính toán số lượng vật liệu cần dùng

Bảng 4.5: Chi phí mua vật liệu lọc

STT Vật liệu lọc Đơn vị tính Số lƣợng Giá thành

3 Hạt nhựa trao đổi ion lít 200 25000 5000000

Nhƣ vậy tổng chi phí cho việc xây dựng là