CÔNG NGHỆ XỬ LÝ COD, BOD TRONG NƯỚC CẤP

1. COD, BOD trong nước cấp là gì

Nhu cầu ôxy hóa sinh học hay nhu cầu ôxy sinh học (ký hiệu: BOD, từ viết tắt trong tiếng Anh của Biochemical (hay Biological) Oxygen Demand) là lượng oxy cần cung cấp để oxy hoá các chất hữu cơ trong nước bởi vi sinh vật. BOD là một chỉ số và đồng thời là một thủ tục được sử dụng để xác định xem các sinh vật sử dụng hết ôxy trong nước nhanh hay chậm như thế nào. Nó được sử dụng trong quản lý và khảo sát chất lượng nước cũng như trong sinh thái học hay khoa học môi trường.

Chỉ tiêu BOD không phản ánh đầy đủ về lượng tổng các chất hữu cơ trong nước thải, vì chưa tính đến các chất hữu cơ không bị oxy hóa bằng phương pháp sinh hóa và cũng chưa tính đến một phần chất hữu cơ tiêu hao để tạo nên tế bào vi khuẩn mới.

Nhu cầu ôxy hóa học (COD - viết tắt từ tiếng Anh: chemical oxygen demand) là lượng oxy có trong Kali bicromat (K₂Cr₂O₇) đã dùng để oxy hoá chất hữu cơ trong nước. Chỉ số COD được sử dụng rộng rãi để đo gián tiếp khối lượng các hợp chất hữu cơ có trong nước. Phần lớn các ứng dụng của COD xác định khối lượng của các chất ô nhiễm hữu cơ tìm thấy trong nước bề mặt (ví dụ trong các con sông hay hồ), làm cho COD là một phép đo hữu ích về chất lượng nước. Nó được biểu diễn theo đơn vị đo là miligam trên lít (mg/L), chỉ ra khối lượng ôxy cần tiêu hao trên một lít dung dịch.

Trong xử lý nước cấp thì COD thường được hiển thị dưới dạng thông số như: Natural organic matter (NOM) hoặc Dissolved organic carbon (DOC). Xử lý COD, BOD hay TOC trong nước cấp tương đương với việc xử lý DOC hay NOM.

Carbon hữu cơ hòa tan (DOC) về mặt hoạt động được định nghĩa là tổng lượng các hợp chất carbon hữu cơ đi qua bộ lọc 0,45µm và đại diện cho phần lớn vật chất hữu cơ trong hầu hết các mẫu nước. Trong hệ thống nước, DOC ảnh hưởng đến một loạt các quá trình địa hóa bằng cách kiểm soát trực tiếp nồng độ pH. Hơn nữa, nó ảnh hưởng đến màu nước, sự vận chuyển và phân hủy của các chất ô nhiễm, độ sâu của vùng âm và có thể gây ra sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng.

2. Natural Organic Matter (NOM) / Tìm hiểu về Chất hữu cơ tự nhiên (NOM)

Nước chúng ta uống chủ yếu đến từ các đập và sông. Nó thường chứa một số tạp chất: chất rắn lơ lửng, chẳng hạn như bụi bẩn, lá cây, v.v.; các bệnh lây truyền qua đường nước như Escherichia coli , giardia hoặc nặng hơn; và cacbon hữu cơ hòa tan (DOC), còn được gọi là chất hữu cơ tự nhiên (NOM) và 'Màu'. Để làm cho nó thích hợp để uống, nước phải được xử lý để loại bỏ các chất lơ lửng và bất kỳ mầm bệnh nào bị tiêu diệt bằng cách khử trùng bằng clo hoặc ozone.

Chất hữu cơ tự nhiên (NOM) có trong nước ngầm và nước mặt. Các thành phần chính của NOM là các chất humic, với một phần chính là các đại phân tử anion chịu lửa có trọng lượng phân tử khác nhau. Nồng độ NOM trong nước uống thường là 2-10 ppm. Cả thành phần thơm và béo với các nhóm chức cacboxylic và phenolic có thể được tìm thấy trong NOM, dẫn đến các chất humic tích điện âm ở pH của nước tự nhiên. Sự hiện diện của NOM trong nước uống gây khó khăn trong quá trình xử lý nước thông thường như đông tụ. Các vấn đề cũng nảy sinh khi áp dụng các kỹ thuật xử lý thay thế để loại bỏ NOM. Ví dụ, thách thức quan trọng nhất trong lọc nano (NF) là tắc nghẽn màng. Quá trình trao đổi ion để loại bỏ NOM là một công nghệ hiệu quả được khuyến khích sử dụng khi bắt đầu quá trình xử lý. Cách tiếp cận này cho phép giảm đáng kể nồng độ NOM và ngăn ngừa sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng (DBP) như trihalomethanes (THM).

NOM được tìm thấy trong cả nước mặt và nước ngầm:

Bắt nguồn từ các nguồn động thực vật mục nát cuối cùng ở các lưu vực nước hoặc tầng chứa nước

NOM là duy nhất cho nước nguồn và có thể thay đổi theo mùa - có thể thay đổi về đặc điểm

NOM có thể được phân đoạn theo các đặc điểm: axit humic và axit fulvic chiếm tỷ lệ phần trăm lớn nhất - và cũng thể hiện điện tích âm yếu (tức là anion)

NOM phổ biến ở nhiều lưu vực, làm xấu đi và có vấn đề đối với việc xử lý nước và chất lượng nước uống - màu, vị, mùi và sự hình thành DBP

Các nghiên cứu chứng minh hóa chất keo tụ thường chỉ phản ứng được các chất hữu cơ có trọng lượng phân tử lớn hơn 1.000 Dalton, Chất hữu cơ trong nước cấp đầu vào phần lớn có trọng lượng nhỏ hơn 1.000 Dalton. Với ưu điểm xử lý chất hữu cơ nhỏ, hạt nhựa trao đổi ion từ tính MIEX® loại bỏ các chất hữu cơ nhỏ này như một nước tiền xử lý.

Cách Đo NOM

• Tổng carbon hữu cơ (TOC) là phép đo trong phòng thí nghiệm của NOM trong mẫu nước
• Carbon hữu cơ hòa tan (DOC) phần TOC đi qua bộ lọc 0,45 micron (hòa tan)
• UV254 trong một phép đo thay thế của DOC
• Hầu hết DOC của nước mặt là> 90% TOC
• Hầu hết DOC của nước ngầm là ~ 100% TOC

Vậy tại sao DOC lại là một vấn đề?

Bản thân DOC là vô hại, nhưng nó có thể can thiệp vào các quá trình xử lý này. Cụ thể, nó có thể làm tăng lượng phèn cần thiết cho quá trình keo tụ, và nó cũng có thể phản ứng với clo hoặc ozon để tạo thành một lượng nhỏ metan tri-halo độc hại (THMs). Ngoài ra, nó có thể thúc đẩy sự tái phát triển của vi khuẩn trong đường ống bằng cách hoạt động như một loại ‘thức ăn’. Thật không may, cả nước mặt và nước giếng khoan thường có hàm lượng DOC cao.

NOM + Disinfectant  = Disinfection By-Products (DBP)

Con người tiếp xúc với một số lượng lớn bất thường của một số DBP có thể bị tổn thương gan và giảm hoạt động của hệ thần kinh. Có thể gây ung thư.

Danh sách các công nghệ loại bỏ cho các vùng nước giàu Humic để tăng chi phí vận hành

Các giải pháp thay thế để loại bỏ DOC

Fearing, David A. Ph.D. Thesis, Supervisor: Dr. S.A. Parsons, (2004) Process Options for the Treatment of Humic Rich Waters, Cranfield University School of Water Sciences

=> Công nghệ trao đổi ion loại bỏ tốt, giảm chi phí.

Note: Tại Việt Nam thay vì phân tích TOC, tiêu chuẩn QCVN 01-1:2018/BYT (quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước sạch phục vụ mục đích sinh hoạt, vui lòng download tại đây), quy định Chỉ số pecmanganat ở mức giới hạn < 2 mg/l. Các nguồn nước đầu vào thường sử dụng nước sông có các hàm lượng ô nhiễm cao, các nhà máy nước thường sử dụng Clo nhiều ban đầu để oxy hóa chất hữu cơ, sử dụng nhiều hóa chất keo tụ để xử lý. Việc xử lý tiền ẩn nhiều nguy cơ không hết chất ô nhiễm và phát sinh sản phẩm phụ khử trùng DBPs và THMs...

https://nhandan.com.vn/tin-chung1/bao-dam-chat-luong-nguon-nuoc-sinh-hoat-373216/

Tại Mỹ và các nước Châu Âu bắt đầu siết quy định về  DBPs và THMs từ năm 2012 (The Stage 2 DPBR, which governs the levels of total trihalomethanes (TTHM) and five haloacetic acids (HAA5) in drinking water, were promulgated in 2006 with compliance monitoring beginning in 2012) nên việc áp dụng các công nghệ mới để xử lý đạt chuẩn, công nghệ MIEX nổi lên là lựa chọn tối ưu về hiệu suất cũng như chi phí, đã áp dụng rất nhiều dự án lớn trên thế giới.

3. Đặc điểm của hạt nhựa trao đổi ion từ tính MIEX®

Trao đổi ion là một quá trình hóa học trong đó các ion (tạp chất) trong dung dịch nước được hấp thụ vào một chất rắn, thường là hạt polyme (nhựa). Khi chúng được nạp đầy, các hạt có thể được phục hồi và tái sinh bằng cách sử dụng nước muối để khử hấp thụ các ion. Trao đổi ion được sử dụng trong công nghiệp để lọc nước đạt chất lượng cao. Trong trao đổi ion thông thường, các hạt nhựa được đóng gói trong một cột thép hoặc nhựa lớn và nước không tinh khiết bị ép qua áp suất để tạo ra nước có chất lượng cao hơn.

Trong khi cực kỳ thành công, trao đổi ion thông thường gặp phải ba vấn đề:

• nước đầu vào phải không có chất lơ lửng, nếu không sẽ làm tắc đường ống và cột lọc.
• chi phí vốn cao vì trong khi một cột đang hấp thụ tạp chất, cột thứ hai đang được tái sinh, vì vậy chỉ có một cột đang hoạt động tại một thời điểm
• hoạt động theo mẻ, không phải là một quá trình liên tục, và do đó khó theo dõi và kiểm soát hơn.

Quy trình MIEX khác với công nghệ trao đổi ion thông thường ở chỗ bước trao đổi ion được thực hiện liên tục, trong khi bước tái sinh được thực hiện liên tục. Điều này cho phép hệ thống hoạt động ổn định được duy trì trong giai đoạn trao đổi ion của quá trình. Các hạt nhựa cũng nhỏ hơn (150 um) so với hạt nhựa trao đổi ion thông thường. Sau khi tiếp xúc với nước thô, một thành phần từ tính trong ma trận nhựa cho phép các hạt hình thành các khối kết tụ lớn hơn và lắng xuống với tốc độ cao (25 m3 / giờ).

Magnetic Ion Exchange (MIEX®) / Trao đổi ion từ tính MIEX®

Các vấn đề với trao đổi ion thông thường đã dẫn đến ý tưởng sử dụng nhựa trao đổi ion từ tính trong bể khuấy và thu hồi nhựa thông qua mật độ cao và / hoặc từ tính của nó. Ưu điểm của trao đổi ion từ là:

• nhựa trao đổi ion MIEX có thể được sử dụng trong bể khuấy thay vì cột lọc
• bởi vì các hạt dày đặc và sẽ dính từ tính vào nhau khi ngừng khuấy, chúng tạo thành các cục lớn lắng xuống nhanh chóng
• các khối lớn cũng có nghĩa là các hạt nhựa nguyên sinh có thể được tạo ra có độ lớn nhỏ hơn các hạt nhựa thông thường, và do đó hấp thụ các ion từ dung dịch nhanh hơn nhiều lần.

Trong những năm 1990, một nhóm các nhà khoa học Úc từ CSIRO và công ty Orica, phối hợp với Tập đoàn Nước Nam Úc, đã phát triển một phương pháp mới để loại bỏ các vật liệu hữu cơ khỏi nguồn cung cấp nước. nó được gọi là quy trình MIEX®, từ viết tắt của từ trao đổi ion. Quy trình làm cho nước sạch hơn và an toàn hơn với chi phí thấp hơn các phương pháp trước đây và trong thời gian ngắn hơn. Quy trình MIEX® sử dụng một loại nhựa được thiết kế đặc biệt. Nhựa có thành phần nam châm cho phép các hạt hoạt động như nam châm yếu, tạo cho chúng khả năng lắng độc đáo và các đặc tính xử lý khác.

• SBA Loại 1 MIEX Resin - Anion gốc mạnh
• Kích thước nhỏ - Trung bình ~ 220 micron (phạm vi 80-400 micron)
• Nhựa acrylic với oxit sắt phân tán trong cấu trúc nhựa
• Oxit sắt được từ hóa - Trong quá trình sản xuất
• Các hạt riêng lẻ kết tụ lại với nhau - Thu hút từ tính
• Lắng rất nhanh - 15-25 m / giờ (0,8-1,4 ft / phút) khi kết tụ

Pilot thử nghiệm dự án tại Australia

Thành phần từ tính dẫn đến các hạt hình thành kết tụ lắng xuống nhanh chóng hoặc nổi ở tốc độ tải thủy lực cao. Do tính năng độc đáo này, nhựa MIEX® được sử dụng trong một quy trình liên tục với sự trao đổi ion diễn ra trong bể hỗn hợp hoặc bể phản ứng tầng sôi.

4. MIEX®: Công nghệ xử lý COD BOD trong nước cấp ô nhiễm

Tên MIEX® được lấy từ "Magnetic Ion Exchange", bởi vì các hạt nhựa trao đổi ion có chứa một thành phần từ hóa trong cấu trúc của chúng, cho phép các hạt hoạt động như một nam châm riêng lẻ. Quy trình MIEX® được chứng minh là làm giảm sự hình thành Sản phẩm phụ khử trùng (DBPs) bằng cách giảm mức Carbon hữu cơ hòa tan (DOC) và tổng nhu cầu chất oxy hóa. MIEX® có nhiều lợi ích bao gồm cải thiện mùi vị và cải thiện sự hình thành bông cặn với liều lượng hóa chất thấp hơn (giảm chi phí sử dụng hóa chất và bùn thải). Quy trình MIEX® cũng có thể làm giảm đáng kể mức độ màu nước đã qua xử lý từ 60% đến 95% thông qua việc loại bỏ DOC.

Kích thước hạt nhựa rất nhỏ cung cấp diện tích bề mặt cao cho phép trao đổi động học nhanh chóng của các ion chọn lọc.

Quá trình trao đổi ion diễn ra liên tục trong bể phản ứng hỗn hợp

Quá trình trao đổi ion diễn ra liên tục trong bể phản ứng tầng sôi

Hạt nhựa trao đổi ion MIEX được sản xuất đặc biệt cho ứng dụng xử lý chất ô nhiễm trong nước cấp, được chứng nhận NSF 61 để sử dụng trong các quy trình nước uống. Kích thước hạt nhựa MIEX (~200 micron) nhỏ hơn nhiều so với nhựa trao đổi ion truyền thống, cung cấp 4-5 lần diện tích bề mặt, cho phép trao đổi động lực học nhanh chóng để xử lý chất ô nhiễm trong nước. Các hạt nhựa này định kỳ được tái sinh bằng muối NaCl, không sử dụng hóa chất.

Các ứng dụng loại bỏ chất gây ô nhiễm cho nhựa MIEX® bao gồm: Carbon hữu cơ hòa tan (DOC), Màu, Nitrat, Asen PFAS, Sulfide và Bromide. và Chromium (IV), Phosphate, Ammonium, tổng độ cứng....

Giảm thiểu các chất hữu cơ ở đầu nhà máy xử lý nước là rất quan trọng để giảm chi phí vận hành và cải thiện hiệu suất của nhà máy.

Công nghệ MIEX tại Palm Beach County, Florida, USA. 61.200m3/ngày (16.4 MGD)

Down: Case study _ MIEX du an Palm Beach County, Florida USA 61.200m3/ngày

5.  Ưu điểm của Công nghệ Trao đổi ion từ tính MIEX®

 5.1. Công nghệ Ion từ tính MIEX là bước tiền xử lý sẽ có ưu điểm:

• Giảm đáng kể nhu cầu hóa chất đối với WTP thông thường
• Cải thiện kích thước và độ ổn định của bông bùn keo tụ đặc biệt là trong nước có độ kiềm thấp - do đó giảm thời gian lắng và cải thiện khả năng lọc
• Giảm sản phẩm phụ của chất khử trùng DBP bằng cách loại bỏ chất hữu cơ hòa tan trong nước (DOC)
• Thường là quy trình đơn vị đầu tiên trong hệ thống xử lý nước - cải thiện hiệu suất của quy trình đơn vị xử lý phía sau

Tại hệ thống xử lý nước sông thành nước cấp sạch sinh hoạt Graincliffe (UK), MIEX® có thể giảm khoảng 60% nồng độ Carbon hữu cơ hòa tan (DOC) (xem Biểu đồ 1). Như một tác động cuối cùng của việc loại bỏ DOC, Graincliffe có thể giảm sự hình thành THM của chúng từ 55 μg / L xuống 25 μg / L thông qua việc sử dụng nhựa MIEX®.

5.2. Giảm đáng kể chi phí hoạt động của WTP bằng cách:

• Giảm lượng chất đông tụ được sử dụng và cả khối lượng bùn
• Loại bỏ yêu cầu điều chỉnh pH
• Cải thiện sự ổn định hoạt động trong các vùng nước có độ kiềm thấp / không có
• Giảm nhu cầu clo và yêu cầu hóa chất khử trùng
• Có khả năng cho phép chuyển đổi từ cloramin thành clo tự do thông qua việc khử các chất hữu cơ trong nước đã qua xử lý.
• Cải thiện tính tồn lưu của clo dư để khử trùng tốt hơn

5.3. MIEX® Giảm màu

Màu sắc là một vấn đề đối với cả ba hệ thống xử lý nước của Yorkshire WTW, chủ yếu do sự hiện diện của chất hữu cơ tự nhiên. Quy trình MIEX® có thể giảm mức độ màu lên đến 57% ở Graincliffe WTW thông qua việc loại bỏ carbon hữu cơ hòa tan (DOC) khỏi nước thô. DOC được loại bỏ thông qua trao đổi anion trong đó các axit hữu cơ mang điện tích âm được trao đổi với các ion clorua trên bề mặt MIEX® Resin.

5.4. MIEX® Improves Floc at Albert WTW / Công nghệ MIEX® cải thiện Floc (tăng kích thước bông bùn, giảm thời gian lắng)

Tiền xử lý MIEX® làm tăng kich thước của bông bùn được hình thành, khi bông bùn lớn hơn thì tốc độ lắng của nó nhanh hơn. Một bài báo trên Tạp chí AWWA của Jarvis và cộng sự (tháng 1 năm 2008) 1, cho thấy rằng các bông cặn hình thành trong nước đã xử lý trước MIEX® lắng nhanh hơn gần ba lần so với trong nước không qua xử lý trước MIEX®. Nước đã xử lý trước MIEX® cần ít chất đông tụ hơn 50% để tạo bông cặn hiệu quả.

Tại hệ thống Xử lý Nước Alberta, MIEX® xử lý trước tạo ra các bông cặn lớn hơn và lắng nhanh hơn. Hình 1 dưới đây minh họa ảnh hưởng của MIEX® đến kích thước floc

• Average floc sizes after flocculation: / • Kích thước bông keo trung bình sau khi keo tụ:
– Fe flocs: 620 ± 15 μm
– MIEX® + 50 % Fe red. flocs: 970 ± 15 μm
• Floc settling velocity (dfloc:500 μm) / Vận tốc lắng Floc (dfloc: 500 μm)
– Fe flocs: 2.7 m/h
– MIEX® + 50 % Fe red. flocs: 3.9 m/h

Tốc độ lắng tăng đồng nghĩa với việc giảm thời gian lưu trong các bể lắng và dẫn đến lưu lượng nước cao hơn cho các nhà máy xử lý nước

Tách chất rắn-lỏng bằng phương pháp tuyển nổi không khí hòa tan (DAF) cho thấy rằng các bông tiền xử lý nhựa MIEX® được loại bỏ ở mức độ tốt hơn các bông không có xử lý trước bằng MIEX. Sau khi keo tụ, độ đục của nước tiền xử lý MIEX® đã giảm 38 NTU xuống còn 1,5 ± 0,6 NTU trong khi nước không xử lý trước MIEX® giảm từ 19 NTU xuống 3,8 ± 1,5 NTU.