nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng phương pháp lọc sinh học

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu phát triển hệ thống xử lý asen bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan IRB, ứng dụng xử lý nước ăn uống nhằm phổ cập cho các

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Phan Đỗ Hùng Viện Công nghệ Môi trường Việt Nam

2 PGS.TS Đặng Văn Minh Khoa Tài nguyên và Môi trường Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên

THÁI NGUYÊN, NĂM 2011

Trang 2

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Phan Đỗ Hùng, Viện Công nghệ Môi trường và thầy giáo PGS TS Đặng Văn Minh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt qúa trình thực hiện đề tài

Em xin chân thành cảm ơn các anh, chị ở Viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các thầy, các cô trong Khoa Tài nguyên và Môi trường đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài

Cuối cùng em xin gửi đến gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ em trong quá trình thực tập, nghiên cứu cũng như trong thời gian thực hiện đề tài lời cảm ơn chân thành nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu khảo sát và phân tích từ thực tiễn dưới sự hướng dẫn khoa học của

TS Phan Đỗ Hùng và PGS.TS Đặng Văn Minh

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo

vệ cho một học vị nào, phần trích dẫn tài liệu tham khảo đều được ghi rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Dương Thị Minh Hoà

Trang 4

1.7.2 Các phương pháp xử lý asen đang được nghiên cứu và áp

Trang 5

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 39 3.1 Diễn biến của pH, nhiệt độ và nồng độ oxy hoà tan trong quá trình

3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với kích

44

46

48

3.3.1 Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý

asen đối với tốc độ lọc 100 m/ngày và nồng độ asen đầu vào

khoảng 50 g/l

50

khoảng 50 g/l

52

khoảng 50 g/l

54

3.4 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào đến hiệu

3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới

hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3 mm

và tốc độ lọc 100 m/ngày

55

Trang 6

và tốc độ lọc 210 m/ngày

57

và tốc độ lọc 400 m/ngày

59

3.5 Ưu nhược điểm của phương pháp lọc sinh học sử dụng vi sinh vật

Trang 7

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Hàm lượng Asen trong nước (µg/l) và trầm tích (ppm) biển

Bảng 1.2 Tổng hợp những kết quả xét nghiệm asen do UNICEF hỗ

Bảng 1.3.Tổng hợp một số chỉ tiêu phân tích mẫu nước ngầm Thành

Bảng 3.1 Diễn biến của pH, nhiệt độ và nồng độ oxy hoà tan trong

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với

kích thước vật liệu lọc từ 3 - 5 mm, nồng độ asen đầu vào

khoảng 50 g/l

44

khoảng 50 g/l

46

48

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý

khoảng 50 g/l

50

khoảng 50 g/l

52

Trang 9

khoảng 50 g/l

54

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới

hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3

mm và tốc độ lọc 100 m/ngày

56

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới

hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3

mm và tốc độ lọc 210 m/ngày

57

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào

tới hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 -

3 mm và tốc độ lọc 400 m/ngày

59

Bảng 3.11 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng phương pháp

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.2 Một số hình ảnh biểu hiện các bệnh do nhiễm độc Asen

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống xử lý asen trong nước ngầm bằng phương

Hình 3.1 Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với

khoảng 50 g/l

45

khoảng 50 g/l

47

49

Hình 3.4 Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý

asen đối với tốc độ lọc 100 m/ngày và nồng độ asen đầu

51

Trang 11

Hình 3.6 Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý

54

Hình 3.7 Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới

hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 -

56

58

60

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong vài chục năm trở lại đây, nước ngầm được sử dụng rất phổ biến cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt của người dân Việt Nam, đặc biệt tại các vùng đồng bằng, đô thị đông dân cư Nước ngầm thường được coi là sạch hơn nước mặt do không tiếp xúc trực tiếp với các nguồn thải do con người gây ra Tuy nhiên, những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã cho thấy nguồn nước ngầm có chứa hàm lượng các chất asen, sắt, mangan, amoni, clo, v.vv cao hơn qui chuẩn cho phép trong nước ăn uống Trong các chất

kể trên thì asen là kim loại nặng có độc tính cao, sự tích luỹ asen vào cơ thể trong thời gian dài kể cả ở hàm lượng thấp cũng gây nên nhiều tác hại cho sức khoẻ Phần lớn sự nhiễm độc asen thông qua việc sử dụng nguồn nước, lương thực, thực phẩm ở những vùng đất, nước, không khí nhiễm asen (Nguyễn Mạnh Khải và cộng sự, 2010) [11]

Nhiễm độc asen có thể gây ra các căn bệnh nguy hiểm dẫn đến tử vong như ung thư da và các cơ quan nội tạng (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19] Các triệu chứng của nhiễm độc asen bao gồm sự thay đổi màu da, hình thành các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũng như

có thể dẫn tới hoại tử Đáng lo ngại là hiện nay chưa có phương pháp hiệu quả

để điều trị những căn bệnh nguy hiểm này Trên thế giới hàng chục triệu người đã bị bệnh đen và rụng móng chân, sừng hoá da, ung thư da do sử dụng nguồn nước sinh hoạt có nồng độ asen cao (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1] Vấn đề ô nhiễm Asen trong nước ngầm đã trở thành mối quan tâm đặc biệt trên toàn thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc Asen trên diện rộng ở Bangladesh và Tây Bengan Ấn Độ vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ

20 Ngày nay, người ta đã phát hiện thấy ngoài Bangladesh và Tây Bengan Ấn

Độ, nhiều nước đã phát hiện hàm lượng asen rất cao trong nguồn nước sinh hoạt như: Canada, Mỹ, Italia, Nhật, Trung Quốc, Alaska, Chile, Arhentina, Indonexina, Thái Lan, Việt Nam,… (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]

Ở Việt Nam, những điều tra khảo sát về tình trạng ô nhiễm asen đã được tiến hành và bản đồ các khu vực ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được hình

Trang 13

thành Những báo cáo đầu tiên về hiện tượng nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam đã được công bố trong hội thảo “Tài nguyên nước dưới đất phục vụ chương trình cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn” năm

1997 Từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu, điều tra khảo sát hiện trạng cũng như công nghệ xử lý asen được tiến hành trong cả nước Một kết quả khảo sát về mức độ ô nhiễm asen trong nước ngầm của Viện Công nghệ Môi trường năm 2004 thuộc dự án “Điều tra diện rộng phát hiện sự ô nhiễm asen trong nước giếng khoan ở 12 tỉnh của Việt Nam” cho thấy, trong 12 tỉnh thành được khảo sát chỉ có 2 tỉnh thành là Thành phố Hồ Chí Minh và Long

An chưa phát hiện thấy nhiễm asen, còn các tỉnh thành còn lại bị ô nhiễm khá trầm trọng Các tỉnh thuộc lưu vực sông Hồng (tỉnh Hà Nam, Nam Định, Hà Tây, Hưng Yên và Hải Dương) đều bị phát hiện có nhiễm asen trong nước ngầm Trầm trọng nhất là các tỉnh: Hà Nam, Nam Định, Hà Tây Kết quả khảo sát 7 huyện trong tỉnh Hà Nam cho thấy 58,56 % số giếng khoan có hàm

200 g/l chiếm khoảng 7,5 % Tại tỉnh Hà Tây có tới 46,78 % số giếng có

được khảo sát, đáng chú ý là tại tỉnh Đồng Tháp có 41,51 % số giếng có hàm

Phương Thảo, Đỗ Trọng Sự, 1999) [17]

Từ những kết quả khảo sát trên, có thể thấy rằng, nguồn nước ngầm ở Việt Nam bị ô nhiễm asen trên diện rộng, mức độ ô nhiễm khá trầm trọng, tương đương với mức độ ô nhiễm ở Bangladesh Trong khi đó, theo thống kê,

có hơn 17 triệu người (hơn 21% dân số) đang phải sử dụng nước ăn từ nguồn nước giếng khoan Do đó, nguy cơ người dân bị nhiễm các bệnh liên quan tới

sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm asen trong thời gian dài là khó tránh khỏi Chính vì vậy, vấn đề tìm kiếm công nghệ xử lý asen đạt hiệu quả cao, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam là rất cần thiết

Trang 14

Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm chủ yếu hiện nay là: oxy hoá - kết tủa - lắng - lọc sử dụng các chất ôxy hoá như clo và chất tạo kết tủa như muối sắt, nhôm; phương pháp hấp phụ trên vật liệu nhôm ôxit, sắt oxit, mangan oxit; trao đổi ion trên nhựa Anionit; phương pháp thẩm thấu ngược Tuy nhiên, các công nghệ này hoặc là phức tạp, hoặc là chi phí đầu tư và xử

lý cao, hoặc là chỉ phù hợp với qui mô xử lý tập trung, vì vậy không phù hợp với qui mô nhỏ, qui mô hộ gia đình và điều kiện của nông dân Việt Nam Thông thường, nước ngầm bị nhiễm asen, đồng thời cũng bị nhiễm sắt Lợi dụng đặc điểm này, Trường Đại học OSAKA SANGYO, Nhật Bản đã nghiên cứu phát triển thành công hệ thiết bị sinh học cố định được các vi khuẩn oxi hóa sắt và mangan có trong nước ngầm Các vi khuẩn này oxy hoá các thành phần sắt, mangan hoà tan trong nước ngầm thành các sản phẩm oxy hoá của sắt, mangan có khả năng kết tủa Các kết tủa này đồng thời kết tủa, hấp phụ và loại bỏ asen ra khỏi nước Hệ thiết bị này có thể sử dụng để xử lý đồng thời sắt, mangan, asen (III) và asen (IV) trong nước mà không cần phải thêm quá trình tiền xử lý (Y Fujikawa và cộng sự, 2011) [28] Hàm lượng sắt

và mangan trong nước ngầm Việt Nam khá cao, vì vậy rất phù hợp để ứng dụng phương pháp này Tuy nhiên, hệ thống thiết bị này được thiết kế làm việc liên tục và được điều khiển hoàn toàn tự động, vì vậy để có thể phổ cập ứng dụng ở Việt Nam, cần thiết tiếp tục nghiên cứu tối ưu hoá và cải tiến thiết

bị cho phù hợp với đặc trưng nước ngầm Việt Nam và điều kiện của nông thôn Việt Nam

Xuất phát từ thực tế trên, được sự nhất trí của Nhà trường, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Phan Đỗ Hùng và PGS.TS Đặng Văn Minh, tôi tiến hành

nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng phương

pháp lọc sinh học”

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu phát triển hệ thống xử lý asen bằng phương pháp lọc sinh học

sử dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan (IRB), ứng dụng xử lý nước ăn uống nhằm phổ cập cho các hộ gia đình ở nông thôn và phát triển các hệ thống xử lý phi tập trung cung cấp nước ăn uống an toàn cho các khu vực có nước ngầm bị

ô nhiễm asen

Trang 15

3 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

- Lắp đặt hệ thí nghiệm xử lý asen bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan (IRB);

- Lấy mẫu, phân tích hàm lượng asen và các chỉ tiêu liên quan trong nước ngầm đầu vào và nước sau khi qua hệ thống thí nghiệm

- So sánh, đánh giá kết quả phân tích hàm lượng asen trong nước ngầm trước và sau xử lý, đưa ra được hiệu suất xử lý

- Đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý asen bằng phương pháp sinh học

- Đưa ra được mô hình xử lý asen trong nước ngầm phù hợp với điều kiện của Việt Nam

4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

4.1 Ý nghĩa trong nghiên cứu khoa học

Kết quả của đề tài là nền móng cho các nghiên cứu tiếp theo về xử lý asen trong nước ngầm, nước thải và nước mặt bằng các phương pháp sinh học

4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn

Đề tài rất có ý nghĩa trong bảo vệ sức khoẻ của con người Kết quả của

đề tài sẽ đưa ra được mô hình xử lý asen trong nước ngầm, phổ cập sử dụng trong các hộ gia đình và các khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm asen

Trang 16

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

1.1.1 Cơ sở lí luận

Để loại bỏ asen trong nước ngầm có thể ứng dụng nhiều phương pháp như keo tụ, kết tủa, hấp phụ, lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách… Tuy nhiên hầu hết các công nghệ này chỉ áp dụng với hệ xử lý công suất lớn, chỉ có ít công nghệ có thể áp dụng ở cộng đồng nhỏ và hộ gia đình

Ở Việt Nam, phần lớn dân số dùng nước giếng khoan với quy mô hộ gia đình Nồng độ sắt trong nước ngầm tương đối cao khoảng từ 1 - 30 mg/l Kết quả nghiên cứu còn cho thấy asen thường xuất hiện đồng thời với nơi nồng độ sắt cao Vì vậy, chúng ta hoàn toàn có thể kết hợp xử lý asen cùng với quá trình xử lý sắt và mangan bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi sinh vật oxy hoá sắt và mangan

Sắt trong nước thường tồn tại dưới dạng sắt (II), dưới tác dụng của các vi sinh vật oxy hoá sắt bản địa sẽ chuyển hoá thành sắt (III) kết tủa tạo thành những chất keo bám vào bề mặt các hạt cát và tạo thành các hạt keo tụ Asen trong nước sẽ bám vào bề mặt các hạt keo tụ này và bị loại ra khỏi nước Vận dụng nguyên lý đó, chúng tôi đã nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước ngầm bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi sinh vật oxy hoá sắt và mangan, một nguyên tố rất phổ biến trong nước ngầm ở Việt Nam Nhằm mục đích phát triển các công nghệ xử lý asen trong nước sinh hoạt quy

mô hộ gia đình với mục tiêu: các công nghệ xử lý này cần đơn giản, chi phí đầu tư thấp, giá thành rẻ, dễ vận hành và bảo dưỡng và có thể sử dụng các vật

liệu sẵn có trong nước

1.1.2 Cơ sở thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy, nguồn nước ngầm của Việt Nam đang bị ô nhiễm Asen trên diện rộng, mức độ ô nhiễm khá trầm trọng, tương đương với

chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó có nhiều giếng có nồng độ Asen cao hơn từ 20 - 50 lần nồng độ cho phép (0,01

Trang 17

mg/l), ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng Tại vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía nam Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Thái Bình, Ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan có nồng độ Asen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang Sự ô nhiễm Asen ở miền Bắc phổ biến và cao hơn miền Nam Gần 1/4 số hộ gia đình sử dụng trực tiếp nước ngầm không qua xử lý Theo ước tính của tổ chức UNICEF, tại Việt Nam hiện nay, số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với Asen lên tới 10 triệu người (Hồ Vương Bính và cộng sự, 2000) [3] Chính vì vậy, việc nghiên cứu

xử lý asen trong nước ngầm là rất cần thiết nhằm đưa ra được một công nghệ

xử lý asen hiệu quả, rẻ tiền, dễ làm phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo vệ sức khoẻ của con người

1.2 ASEN, TÍNH CHẤT HOÁ LÝ VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI

Asen (còn được gọi là thạch tín) là nguyên tố số 33 trong bảng tuần hoàn hoá học Menđeleep, có tên tiếng anh là Arsenic Kí hiệu là As Asen có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ với bốn mức hoá trị là -3, 0, +3 và +5 trong đó các hợp chất chứa As(III) và As(V) là quan trọng nhất

Asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước (ngay cả ở hàm lượng có thể gây chết người), khó phân huỷ Asen là nguyên tố phổ biến thứ

20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất (Lê Huy Bá, 2006) [2]

Asen là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, nhưng ở liều lượng cao Asen là một chất độc cực mạnh đối với cơ thể con người và các sinh vật khác Chúng tồn tại phổ biến trong thiên nhiên và cũng có mặt nhiều trong sản xuất công nghiệp Asen là một á kim màu xám trắng, mùi tỏi, tỷ trọng là 5,7 Khi

khí tạo thành khói trắng là trioxit asen rất độc (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1] Asen là một nguyên tố có mặt ở khắp nơi trong môi trường Sự phân bố của asen trong hệ thống tự nhiên phụ thuộc vào sự ổn định liên kết của asen với các hình thái nước và phụ thuộc vào khả năng hấp thụ asen lên bề mặt của đất (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1] Dưới tác động của các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau mà asen có thể di chuyển từ hợp phần môi trường này sang hợp phần môi trường khác dẫn đến sự phân bố phức tạp của asen trong tự nhiên

Trang 18

* Asen trong đất và vỏ phong hoá

* Asen trong đá và quặng

Hình 1.1 Sơ đồ vòng tuần hoàn của Asen trong môi trường [1]

Trang 19

* Asen trong đá và quặng

Trong tự nhiên, asen không tồn tại ở dạng đơn chất, mà luôn tồn tại ở dạng hợp chất với hoá trị III hoặc hoá trị V Asen tồn tại trong khoảng hơn 200 loại khoáng khác nhau, bao gồm các loại asen cơ bản là Arsenic, Sulphide, oxit, Arsenate Trong cấu trúc của các loại khoáng vật này, asen thường đi kèm với một số nguyên tố khác như Fe, Ni, Co, Cu, S, Ca, Mg Asen thường xuất hiện trong mạch nước địa nhiệt, núi lửa, suối nước nóng v.v Loại quặng chứa nhiều asen nhất là quặng Arsenopyrit (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19]

Hàm lượng asen trong một số loại khoáng đá phổ biến dao động nhiều Ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu cho thấy, trong nhiều phức hệ đá xâm nhập có chứa arsenopyrit với mức hàm lượng asen từ <100 ppm đến 1000 ppm Hàm lượng asen trong quặng vàng kiểu thạch anh - vàng - sulfur trong các đá phun trào bazan thuộc hệ tầng Viên Nam, khu vực Đồi Bù (Hoà Bình) dao động trong khoảng từ 50 - 204 ppm Hàm lượng trung bình asen trong đá phiến sericit, phiến sét hệ tầng Cốc Xô thuộc vùng mỏ chì kẽm Chợ Đồn (Bắc Kạn) đạt tới 97,8 ppm còn hàm lượng asen trong quặng chì kẽm đạt tới 8.205 - 61.824 ppm (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]

* Asen trong đất và vỏ phong hoá

Một số nghiên cứu gần đây về sự phân bố asen trong đất và vỏ phong hoá ở Việt Nam cho thấy: hàm lượng trung bình của asen trong đất Tây Bắc dao động trong khoảng 2,6 - 11 ppm Đất hình thành trên các đá biến chất: phiến sericit, phiến mica, phiến amphibolit thuộc hệ tầng Nậm Cô, đất trên các đá biến chất thuộc hệ tầng Suối Chiềng có hàm lượng asen không cao, khoảng 2,6 ppm Đất dốc tụ trên đá vôi thuộc diệp Đồng Giao - 2,87 ppm, đất phát triển trên cát kết, bột kết, sét kết thuộc hệ tầng Cẩm Thuỷ, trên cát kết, bột kết thuộc diệp Yên Châu trung bình từ 7,1 - 8,4 ppm, đất trên phiến sét thuộc diệp Sông Mã - 9,35 ppm, vỏ phong hoá trên quặng vàng ở Đồi Bù giàu asen hơn (5 - 2550 ppm, trung bình 372 ppm) Hàm lượng asen trong đất và

vỏ phong hoá feralit trên các đá bazan hệ tầng Viên Nam ở khu quặng Đồi Bù

là 5 - 220 ppm, trung bình 161 ppm (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]

* Asen trong trầm tích bở rời

Hàm lượng tổng asen trong bùn biển đại dương thế giới là 1 ppm, trong trầm tích Đệ Tứ hạt mịn ở Osaka, Kobe, Kyoto, Chiaba, Fukuoka, Sendai (Nhật Bản) khoảng 1 - 30 ppm, trong trầm tích sét biển tuổi Plio-Pléitocên ở

Trang 20

Osaka là 200 ppm Theo Nguyễn Thị Chuyền, Phạm Hùng Việt (2000), hàm lượng Asen trong trầm tích Đệ Tứ ở các lỗ khoan nước ở Hà Nội có quan hệ

Việt Nam có hàm lượng Asen dao động trong khoảng 0,1 - 6,1 ppm, cao nhất

là vùng ven bờ Bạc Liêu - Cà Mau, và Phú Yên, Quảng Ngãi (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]

* Asen trong không khí và nước

Hàm lượng As trong không khí (mg/m3) của thế giới khoảng 0,007 - 2,3 (trung bình 0,5), vùng ô nhiễm là 1,5 - 190 (trung bình 15); Châu Phi 0,6 - 1,2; Nam Mỹ 0,9 - 1,6; Châu Âu, Bắc Mỹ 2,4; Nhật Bản 0,3 - 150; Liên Bang Đức 1,5 - 5,3 Theo Phạm Ngọc Hồ và cộng sự (2000), hàm lượng Asen trong không khí ở khu vực xung quanh Ngã Tư Sở là 0,036 - 0,071 (trung bình 0,044) [1, 2] Hàm lượng asen ở trong nước mưa (µg/l) ở Thái Bình Dương là 0,6; ở Nhật 1,6; ở Thụy Điển 2,5; vùng không bị nhiễm ở Bắc Âu là 0,005 - 0,018 (trung bình 0,08), vùng ô nhiễm ở Bắc Âu là 3,6 - 8,4 (trung bình 12,3) (Lê Huy Bá, 2006) [2]

Hàm lượng asen trong (µg/l) nước biển thế giới khoảng 3,7; nước sông thế giới 4; nước sông ở Mỹ 1,5; Nhật 1,7; Liên Bang Đức 3,6; Thuỵ Điển 0,2-10; Anh 15 [1, 2] Kết quả nghiên cứu của Trung tâm Địa chất Khoáng sản Biển và Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội cho thấy, nước biển ven bờ Việt Nam có biểu hiện ô nhiễm Asen Hàm lượng asen trong nước biển Việt Nam được thể hiện trong bảng 1.1 (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1] Hàm lượng asen trong nước dưới đất (µg/l) ở Na Uy 0,002 - 11; Ireland 0,2 - 0,4; Liên Xô 3; Nhật 0,3 - 3,4 ; Thụy Điển 0,08 - 22 [1, 2]

* Asen trong sinh vật

Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, cây trồng cũng chứa một lượng As nhất định, đôi khi khá cao Như ở Mỹ, hàm lượng

As trong cỏ chăn nuôi 0,06 0,7 ppm; trong lúa khô 110 200 ppm; ngô 30

-40 ppm; bắp cải 20 - 50 ppm; hành tươi 50 - 200 ppm; cà chua tươi 9 - 12000 ppm As chủ yếu tích tụ ở rễ, ở những khu vực đất bị ô nhiễm thì rễ cây hấp

Trang 21

thụ khá nhiều As (1000 - 6000 ppm), còn phần trên mặt đất là 100 ppm Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng As trong lúa cao hơn trong ngô

và sắn Sinh vật biển nói chung thường giàu asen, hàm lượng trung bình của

As trong cá biển từ 0,6 - 4,7 ppm (trung bình 2,7 ppm), còn cá nước ngọt là 0,54 ppm As tập trung trong gan và mỡ [1, 2]

Đối với cơ thể người, asen đi vào cơ thể trong một ngày đêm thông qua chuỗi thức ăn khoảng 1 mg, qua bụi không khí 1,4 µg và các đường khác 0,04 - 1,4 µg Hàm lượng asen trong cơ thể người khoảng 0,08 - 0,2 ppm, tổng lượng asen trong người trung bình khoảng 1,4 mg Asen tập trung trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi, tóc (UNICEF, 2002) [20]

Bảng 1.1 Hàm lượng Asen trong nước (µg/l) và trầm tích (ppm) biển

ven bờ một số vùng Việt Nam [1]

(<10 m nước)

Nước biển ở độ sâu (10 - 30 m)

Trầm tích biển

1 Móng Cái - Hải Phòng 2,1

7 , 4 1 ,

0 , 3

1 , 4 1 ,

5 , 1

1 , 6 2 ,

2 Hải Phòng - Nga Sơn 1,8

6 , 3 1 ,

5 , 2

6 , 8 1 ,

31 , 0

89 , 0 1 ,

3 Nga Sơn - Đèo Ngang

Đèo Ngang - Hải Vân 2,7

5 , 7 1 ,

5 , 2

6 , 8 1 ,

31 , 0

89 , 0 1 ,

6 , 3

7 , 5

1,2-3,6

6 Bạc Liêu - Cà Mau 3,7

0 , 4 6 ,

2 , 5

39

1 , 2

6 , 3 8 ,

7 Cà Mau - Hà Tiên 1,9

2 , 4 4 ,

21 , 2

0 , 4 2 ,

43 , 0

9 , 0 11 ,

Trang 22

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA ASEN ĐẾN SỨC KHOẺ CON NGƯỜI

Asen có vai trò trong trao đổi nuclêin, tổng hợp protit và hêmoglobin nhưng về mặt sinh học, asen là chất độc có thể gây 19 bệnh khác nhau, trong đó có các bệnh nan y như ung thư da và phổi (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19]

Asen tồn tại phổ biến trong môi trường xung quanh, mọi người đều tiếp xúc với một lượng nhỏ của chúng Con đường xâm nhập chủ yếu của asen vào cơ thể là qua đường thức ăn (trung bình 25 - 50 g/ngày.đêm), ngoài ra còn một lượng nhỏ qua nước uống và không khí

Asen tự do cũng như hợp chất của nó rất độc Trong hợp chất thì hợp chất của As(III) là độc nhất Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã xếp As vào nhóm độc loại A gồm: Hg, Pb, Se, Cd và As Người bị nhiễm độc asen thường tỷ lệ bị đột biến nhiễm sắc thể rất cao Ngoài việc gây nhiễm độc cấp tính, asen còn gây độc mãn tính do tích luỹ trong gan với các mức độ khác nhau, liều gây tử vong là 0,1g (tính theo As2O3) (Trần Thị Thanh Hương, Lê Quốc Tuấn, 2010) [10]

Asen đi vào cơ thể qua đường nước sinh hoạt nhưng phải sau 5 - 15 năm mới bắt đầu gây tác động ảnh hưởng đến sức khoẻ Sự nhiễm độc asen được gọi là arsenicosis Biểu hiện của bệnh là chứng sạm da (melanosis), dầy biểu bì (keratosis) từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư

da, khởi đầu là sự phá huỷ da ngoài, ngón tay, ngón chân, sau đó là các bộ phận nội tạng, cuối cùng là ung thư, hoại thư… Một biểu hiện đặc trưng khi bị nhiễm độc asen dạng hợp chất vô cơ qua đường miệng là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng trên da, những hạt ngô nhỏ trong lòng bàn tay, lòng bàn chân và trên mình bệnh nhân Sau đó những hạt nhỏ này có thể sẽ biến chứng, gây ung thư da Ngoài ra người ta còn phát hiện thấy rằng nhiễm asen còn làm tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể, nhất là ở gan, thận, bàng quang và phổi [2, 10, 19]

Điều nguy hiểm là asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước, cả khi ở hàm lượng có thể gây chết người, nên không thể phát hiện

Vì vậy, các nhà khoa học còn gọi asen là “sát thủ vô hình”, “thảm họa

môi trường” (Anh Thi, 2011) [18]

Trang 23

Hình 1.2 Một số hình ảnh biểu hiện các bệnh do nhiễm độc asen gây ra

1.4 Ô NHIỄM ASEN TRONG NƯỚC NGẦM TRÊN THẾ GIỚI

VÀ VIỆT NAM

1.4.1 Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên thế giới

Các điều tra khảo sát sự ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được thực hiện ở nhiều nước như Mỹ, Ấn Độ, Đài Loan, Slovakia, Argentina, Thái Lan, Mehico, Chilê, Trung Quốc, Bangladesh, Mông Cổ Các kết quả khảo sát cho thấy có rất nhiều vùng sử dụng nước ngầm bị nhiễm asen một cách nghiêm trọng như: Tây Bengan (Ấn Độ), Bangladesh, Đài Loan, Alaska, Achentina, Canađa, Mỹ

Trang 24

Vấn đề ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Bangladesh là một điển hình Bangladesh đã hình thành được một hệ thống cơ sở thông tin tư liệu tương đối hoàn chỉnh, về cả quan trắc, thống kê, nghiên cứu khoa học, giải thích nguồn gốc ô nhiễm asen trong nước ngầm và những thành công cũng như kinh nghiệm của Bangladesh về xử lý asen trong nước ngầm Bangladesh có khoảng 2 - 4 triệu giếng khoan khai thác nước Thử nghiệm 8000 giếng khoan

ở 60 trong 64 tỉnh cả nước cho thấy tới 51% số mẫu nước có hàm lượng asen vượt quá 0,05 mg/l (ngưỡng quy định của tổ chức WHO là 0,01 mg/l) Ở Manikganj, Harirampar, Faridpur, Gopalganj có 14 trong 19 mẫu phân tích

người dân sử dụng nước ở đây đã bị bệnh đen chân (blackfoot)

Hai khu vực bắc Achentina: San Antonio delos Codres và Taco Pozo,

Sự nhiễm asen trong nước ngầm ở phía Đông sông Hoogky, một nhánh của sông Hằng phía Tây Bengal đã được báo cáo từ đầu năm 1978 Nhóm bệnh nhân đầu tiên được phát hiện vào tháng 7/1983 Kể từ đó phạm vi ảnh hưởng và số bệnh nhân mới ngày càng tăng Khu vực ảnh

độc asen lên tới hơn 1 triệu người, trong đó hơn 200.000 người đã được xác nhận là có triệu trứng nhiễm độc asen Đây là vụ nhiễm độc asen lớn nhất trong lịch sử (UNICEF, 1998) [26]

Trong nước dưới đất ở vùng Ronphiboon (Thái Lan), hàm lượng trung bình của As trong đất từ 15 - 300 ppm, trong đó lớp đất tầng A từ 50 - 5000 ppm Nước ở những lỗ khoan sâu có hàm lượng As nhỏ hơn 0,05 mg/1 trong lúc đó ở những lỗ khoan tầng nông và các giếng đào thì hàm lượng As tới 1,62 mg/1 (dao động 0,08 - 9 mg/1) (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]

Ở mỗi quốc gia, với đặc điểm địa lý, địa chất khác nhau, các nguyên nhân tìm được chưa hoàn toàn thống nhất Tuy nhiên, sự có mặt của asen trong nước ngầm là có thật và tồn tại như một thách thức lớn với chính phủ và chính quyền các địa phương trong việc bảo vệ sức khoẻ nhân dân

Trang 25

1.4.2 Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Theo kết quả nghiên cứu của Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000)[1], Việt Nam hiện có 3 vùng ô nhiễm asen:

- Vùng núi với các đá biến đổi nhiệt dịch, quặng vàng, đa kim, sunfua và

vỏ phong hoá cũng như đất phát triển trên chúng (Bản Phúng, Đồi Bù, Khâu

Âu, Chợ Đồn) Nguồn ô nhiễm là do các quá trình tự nhiên (quá trình nhiệt dịch, tạo quặng sunfua, đa kim, vàng, hoạt động núi lửa, phong hoá…)

- Một số nơi ở đồng bằng có hàm lượng asen vượt quá quy định về tiêu chuẩn nước sinh hoạt TCVN-1995 Nguồn ô nhiễm asen là các quá trình tự nhiên (ôxy hoá khoáng vật sunfua và khoáng vật chứa asen trong trầm tích, khử các hydroxit sắt chứa asen…) và hoạt động nhân sinh

- Đới duyên hải (trầm tích biển ven bờ một số vùng ở Quảng Ngãi, Phú Yên) Nguồn ô nhiễm chủ yếu là hoạt động nhân sinh, đặc biệt là do sử dụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, vũ khí hoá học…)

Hình 1.3 Bản đồ ô nhiễm Asen

MỨC ĐỘ Ô NHIỄM ĐƯỢC PHÂN THEO MÀU SẮC

(Nguồn: UNICEP - Phần màu trắng là phần chưa được đánh giá thực trạng)

Trang 26

Ở vùng đồng bằng sông Hồng, các địa phương bị ô nhiễm asen nghiêm trọng nhất là Hà Nam, nam Hà Nội và Hà Tây cũ, một phần của tỉnh Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và Hải Dương, tập trung chủ yếu ở phía Tây Nam sông Hồng Trong thời gian từ 2005 đến 2007, Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững (CETASD), trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội kết hợp với các chuyên gia thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Nước (Eawag), Liên bang Thuỵ Sĩ đã tiến hành khảo sát ngẫu nhiên trên toàn khu vực đồng bằng sông Hồng với tổng số 461 mẫu nước giếng khoan Nồng độ asen dao động từ 1 g/l đến 400 g/l Trong đó, số mẫu vượt quá tiêu chuẩn cho phép lên tới 11% Nghiêm trọng hơn, các mẫu có hàm lượng asen cao lại tập trung ở những khu vực người dân sử dụng nguồn nước này làm nước ăn uống sinh hoạt hàng ngày (UNICEF, 2004) [21]

Hiện nay, những số liệu thu thập được cho thấy sự ô nhiễm asen ở miền Bắc cao hơn miền Nam Đáng chú ý là cả vùng đồng bằng sông Hồng đều nằm trong tình trạng đáng lo ngại về mức độ ô nhiễm asen Tiến sĩ Trần Hữu Hoan - Viện Hóa học công nghiệp cho biết: Việt Nam đã được đánh dấu trên bản đồ ô nhiễm asen của thế giới (Trần Hữu Hoan, no date) [6]

Bảng 1.2 Tổng hợp những kết quả xét nghiệm asen

do UNICEF hỗ trợ năm 2004 [21]

Tổng

số giếng

Trang 27

Số liệu nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Văn Đản và Tống Ngọc Thanh (bảng 2.3) cho thấy cả hai tầng chứa nước bên trên (qh) và bên dưới (qp) ở nhiều nơi khu vực Hà Nội đều bị nhiễm asen Đặc biệt, ở Huyện Thanh Trì có tới 59,7% (43/72 mẫu) số mẫu phân tích ở tầng chứa nước bên trên và 54,2% (13/24 mẫu) số mẫu ở tầng chứa nước bên dưới vượt quá giá trị 0,05 mg/l Nếu so sánh với tiêu chuẩn asen cho phép của bộ Y tế (0,01 mg/l) thì tỉ

lệ này còn cao hơn nhiều (Nguyễn Văn Đản, Tống Ngọc Thanh, 2001) [4]

Bảng 1.3.Tổng hợp một số chỉ tiêu phân tích mẫu nước ngầm Thành phố

Hà Nội mùa khô 12/2000 - 2/2001 [4]

Chỉ tiêu phân tích

vùng nghiên cứu

Asen Mangan Sắt Amoni

Số mẫu vượt TC* /TS

%

Số mẫu vượt TC/TS

%

Tầng chứa nước bên trên (qh)

Khu vực phía Bắc 4/66 6.1 44/66 66.7 27/66 36.4 2/66 3.0

Khu vực Đông Nam 8/20 40 19/20 95.0 12/20 60 3/20 15.0

Khu vực phía nam

Trang 28

ngoài da do tác hại của asen cần được theo dõi 86% số hộ mới sử dụng nước giếng khoan được 6 năm (từ 1997), song qua thống kê của Y tế xã từ tháng 1/2000 đến tháng 9/2003 và kết quả khám sức khoẻ cho thấy: tỷ lệ bệnh ngoài

da, biến đổi sắc tố da, sừng hoá, bệnh lý thai sản, tỷ lệ ung thư chung khá cao

và có xu hướng tăng theo thời gian (Đặng Minh Ngọc và cộng sự, 2004) [13] Như vậy, ở Việt Nam không những đã phát hiện ra các vùng nước ngầm

ô nhiễm asen mà còn có các biểu hiện lâm sàng ở cộng đồng do nhiễm độc asen Do vậy, nếu không có biện pháp khắc phục, tiếp tục sử dụng các nguồn nước ô nhiễm asen kéo dài sẽ dẫn đến tình trạng nhiễm độc nặng nề như đã

gặp ở Bangladesh, Ấn Độ, Trung Quốc…

1.5 NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN SỰ Ô NHIỄM ASEN TRONG NƯỚC NGẦM

Asen tồn tại trong tự nhiên trong một số loại đá, khoáng vật và đặc biệt trong các quặng đa kim Đây là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự có mặt của asen trong nước ngầm Cho đến nay các nhà khoa học đã giả thiết đưa ra một số nguyên nhân chính có thể gây nhiễm asen vào nước ngầm như sau (UNICEF, 2002) [20]:

- Do quá trình oxi hoá các khoáng vật pyrit sắt chứa asen bởi ôxi không khí: Một số nhà khoa học đã nghiên cứu và đi đến khẳng định sự có mặt của asen trong các trầm tích chứa pyrit sắt Việc khai thác nước ngầm với quy mô ngày càng tăng làm cho mức nước ngầm giảm dần đã tạo điều kiện để các trầm tích pyrit sắt tiếp xúc với không khí dẫn đến phản ứng oxy hoá pyrit sắt

Trang 29

Asen vốn tự nhiên đã có sẵn trong đất, chúng được gắn kết lên bề mặt của các hydroxit sắt theo cơ chế hấp phụ Trong môi trường khử, sắt chuyển hoá từ dạng oxy hoá, hoá trị 3+ không tan, thành dạng khử, hoá trị 2+ dễ tan trong nước Hiện tượng này sẽ làm cho asen bám trên bề mặt các hạt hydroxit sắt được giải phóng và hoà tan vào trong nước ngầm Phương trình phản ứng được biểu diễn như sau (Đào Mạnh Phú, 2010) [16]:

+ 6H2O + As(III)

- Do các vi sinh vật: Khi phân tích nước bề mặt ở một vùng gần Montpellier (Pháp), một vùng có trữ lượng kim loại nặng lớn, người ta nhận được kết quả pH từ 2,5 - 3,5 và hàm lượng asen từ 0,1 - 0,3 mg/l đồng thời cũng thấy sự có mặt thường xuyên của một nhóm vi sinh vật Các kết quả thực nghiệm nhận được đã chứng tỏ đó chính là nguyên nhân gây nên hàm lượng asen cao trong nước Có thể giải thích rằng các vi sinh vật đóng vai trò như chất xúc tác cung cấp oxi cho quá trình oxi hoá các sunfua kim loại làm giải phóng axit sunfuric và kim loại Sau đó axít sunfuric hoà tan kim loại tạo thành muối sunfat và hoà tan asen vào nước (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19]

- Theo Trần Hữu Hoan (no date)[6], nước bị nhiễm asen là do nước chảy qua các vỉa quặng chứa asen đã bị phong hoá; do suy thoái nguồn nước ngầm làm cho các tầng khoáng chứa asen bị phong hoá, asen từ dạng khó tan chuyển sang dạng có thể tan được trong nước

Ngoài những nguyên nhân trên, ô nhiễm asen trong nguồn nước còn do con người gây ra từ thuốc phun hoa quả, khi sản xuất vải vóc, vũ khí, trong thuốc trừ sâu, chất phụ gia trong thức ăn gia súc và trong các dược phẩm, từ các nguồn nước nhiễm bẩn khác của các nhà máy hoá chất dẫn vào các mạch nước ngầm Việt Nam sử dụng lượng rất lớn thuốc bảo vệ thực vật, phân bón chứa asen làm phát tán asen vào trong nguồn nước Trong chiến tranh rất nhiều chất độc hại chứa asen đã được thả xuống lãnh thổ và vùng nước của Việt Nam Vì vậy, mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có nguy cơ nhiễm asen bất cứ lúc nào [22]

Vi sinh vật

Đại diện cho vật chất hữu cơ

Trang 30

1.6 TIÊU CHUẨN VỀ HÀM LƯỢNG ASEN TRONG NƯỚC UỐNG

Do những tác động có hại với con người và hệ sinh thái, hàm lượng asen có mặt trong môi trường thường được các tổ chức quốc tế về môi trường quy định ở mức rất thấp

EPA quy định nồng độ giới hạn cho phép của Asen trong nước uống

định nồng độ giới hạn cho phép của asen trong không khí ở trong các

cơ (Trần Hiếu Nhuệ và cộng sự, 2000) [15] Tổ chức Y tế Thế giới WHO khuyến cáo nồng độ asen cho phép trong nước uống là 0,01 mg/l

Theo Qui chuẩn Việt Nam 01:2009/BYT - Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống, nồng độ Asen trong nước dùng để ăn uống phải nhỏ hơn 0,01 mg/l Theo Qui chuẩn Việt Nam 02:2009/BYT - Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt, nồng độ Asen trong nước sử dụng cho mục đích sinh hoạt thông thường không sử dụng

để ăn uống trực tiếp phải nhỏ hơn 0,01 mg/l đối với các cơ sở cung cấp nước và phải nhỏ hơn 0,05 mg/l đối với hình thức khai thác nước của cá nhân, hộ gia đình

1.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ASEN

1.7.1 Các phương pháp xử lý asen trên thế giới

Đã có rất nhiều hội nghị quốc tế về asen được tổ chức sau những thảm hoạ về ngộ độc asen ở Bangladesh, nhiều bài báo, công trình nghiên cứu về các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm asen đã được công bố Các biện pháp chủ yếu tập trung vào các phương pháp: hoá học, hoá lý, màng và sinh học

1.7.1.1 Các phương pháp hoá học

1.7.1.1.1 Phương pháp oxy hoá

Hầu hết các công nghệ xử lý asen có hiệu quả khi xử lý asen hoá trị

V (arsenate) còn dạng asen hoá trị III (arsenite) phần lớn không tích điện

ở pH dưới 9,2 Vì vậy, nhiều hệ thống xử lý bao gồm cả bước oxy hoá để chuyển đổi arsenite thành arsenate Quá trình oxy hoá sẽ không loại bỏ asen ra khỏi dung dịch mà phải đi kèm với các quá trình xử lý khác như kết tủa, hấp phụ hoặc trao đổi ion

Trang 31

1.7.1.1.2 Oxy hoá và loại asen bằng năng lượng mặt trời (SORAS)

Đây là quá trình xử lý asen sử dụng phản ứng oxy hoá quang hoá As(III) thành As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As(V) ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III) Hiệu suất của phản ứng oxy hoá quang hoá sẽ được tăng cường nếu nhỏ thêm vài giọt chanh, sẽ giúp cho quá trình tạo các bông keo Fe(III) SORAS có hiệu quả khi hàm lượng sắt trong nước ngầm ít nhất là 3 mg/l,

1.7.1.1.3 Chưng cất bằng năng lượng mặt trời

Thiết bị chưng cất bằng năng lượng mặt trời có thể sử dụng để xử lý nước ô nhiễm asen, vi khuẩn, làm ngọt nước biển, nước lợ, vv Nước cần xử

lý được nung nóng lên và bay hơi nhờ năng lượng mặt trời, sau đó ngưng tụ lại trên bề mặt phía trong bề mặt thiết bị thu nước dạng tấm và chảy vào bể chứa Quá trình bay hơi và ngưng tụ nước sẽ tách tất cả các chất, trong đó có

cả asen ra khỏi nước (Trần Hiếu Nhuệ và cộng sự, 2000) [15]

1.7.1.2 Các phương pháp hoá lý

1.7.1.2.1 Kết tủa và lọc

Hầu hết các phương pháp xử lý asen đều liên quan đến quá trình kết tủa và lọc, hoặc sử dụng muối kim loại, hoặc làm mềm bằng vôi Phương pháp xử lý này rất có hiệu quả khi loại bỏ các chất rắn lơ lửng và hoà tan ngoài asen, độ đục, sắt, mangan, photphat và flo Nó cũng có hiệu quả trong việc làm giảm mùi, màu và giảm nguy cơ hình thành dạng trihalomethane Quá trình kết tủa và lọc để loại bỏ asen cũng sẽ làm tăng chất lượng nước

1.7.1.2.2 Trao đổi ion

Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn Công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ, chỉ nên áp dụng cho quy mô một làng hay lớn hơn Nói cách khác, cột trao đổi ion thường không đi kèm với chiếc giếng khoan bơm tay

Trang 32

Hiếu Nhuệ và cộng sự, 2000) [15]

Mỗi loại vật liệu có những đặc tính và yêu cầu chi phí khác nhau Một số loại đã được sản xuất riêng để xử lý nước nhiễm asen Hiệu suất xử lý của từng loại vật liệu phụ thuộc vào việc sử dụng các chất oxy hoá hỗ trợ quá trình hấp phụ asen

1.7.1.2.4 Làm mềm bằng vôi

cabonate Nó hoạt động như là tác nhân hấp phụ đối với việc xử lý asen Quá trình này thường được sử dụng chỉ với nước cứng và nước đã qua xử

lý có giá trị pH cao khoảng 10 - 12 Nhược điểm của quá trình làm mềm bằng vôi để xử lý asen là phải yêu cầu hàm lượng chất kết tủa lớn khoảng

800 - 1000 mg/l và một thể tích lớn chất thải được tạo ra Ngoài ra giá trị

pH hoạt động là lớn nên phải yêu cầu axit mạnh để điều chỉnh giá trị pH của nước sau xử lý

1.7.1.3 Các phương pháp màng

Các phương pháp màng trong xử lý asen như: vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF), thẩm thấu ngược (RO), điện thẩm tách (ED) Công nghệ lọc màng cho phép có thể tách bất cứ loại chất rắn nào ra khỏi nước, kể cả asen Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt và do đó thường được sử dụng trong những trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng các phương pháp khác Hơn nữa, hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào đặc điểm nước nguồn và yêu cầu chất lượng nước sau xử lý Thông thường, nếu nước nguồn càng bị ô nhiễm, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý càng cao, thì màng lọc càng dễ bị tắc bởi các tạp chất bẩn, cặn lắng và cặn vi sinh vật (tảo, rong, rêu, vi sinh vật…)

Trang 33

1.7.1.4 Phương pháp sinh học

Theo Phạm Văn Lâm (2001)[12], có rất nhiều loài thực vật có khả năng hấp thụ asen trong đất, nước, điển hình là loài cây Dương xỉ (Pteris vittata) được coi là thực vật siêu hấp thụ asen Quá trình này rất phù hợp với việc cải tạo đất nhiễm các kim loại nặng

Lehimans và cộng sự (2001)[30] đã nghiên cứu áp dụng lọc sinh học để loại bỏ asen (III), trạng thái oxy hóa của asen khó xử lý nhất Khi nước ngầm qua lớp cát lọc, asen bị giữ lại trên các kết tủa oxit sắt được hình thành liên

xử lý asen phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ sắt chứa trong nước ngầm Với

ở nhiệt độ, độ pH và điều kiện oxy hóa tối ưu và có đủ sắt thì lọc sinh học cho phép loại bỏ đồng thời cả Fe và As

Fujikawa và cộng sự (2011)[28] đã phát triển hệ thống lọc sinh học sử dụng các loài vi khuẩn bản địa nhằm loại bỏ As (III) và As(V) Trong số các loài vi khuẩn sử dụng , vi khuẩn sắt (gọi tắt là IRB ) và vi khuẩn nitrit /nitrat hóa có vai trò quan trọng nhất Khi cho nước đi qua thiết bị lọc , Fe và Mn ở dạng hòa tan b ị oxy hóa (hóa học và sinh học) và lắng đọng lại trên bề mặt vi sinh vật, và được lọc bỏ dư ới dạng các ôxít sắt và Mn (gọi tắt là IMO ) Trên vật liệu lọc có cấy IRB, As được hấp phụ trên các IMO được tạo thành bởi vi sinh vật và được loại bỏ khỏi nguồn nước

1.7.2 Các phương pháp xử lý asen đang được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam

Theo thống kê chưa đầy đủ, hầu hết những nghiên cứu hiện nay của các nhà khoa học Việt Nam đều áp dụng những qui trình công nghệ theo tài liệu đã tổng kết ở trên Các hệ dụng cụ và qui trình xử lý asen đã ra đời, theo hướng vừa học hỏi, vừa sáng tạo ra những qui trình thích hợp cho điều kiện thực tế ở Việt Nam

Cụ thể như sau:

Trang 34

Nguyễn Mạnh Khải và cộng sự (2010)[11] đã tiến hành nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm ở một số vùng nông thôn bằng hyđroxit sắt(III) Kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng pH tối ưu là 6 - 6,5, khả năng hấp phụ asen bởi hyđroxit sắt(III) đạt 19,9 mg/g Động học quá trình hấp phụ tuân thủ theo

= 0,92, thời gian hấp phụ đạt cân bằng trong khoảng 15 phút thể hiện hiệu suất hấp phụ As của hydroxit sắt cao Tỷ lệ Fe/As ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng xử lý As, với tỷ lệ Fe/As>30, hàm lượng As còn lại trong nước có khả năng đạt dưới 10 µg/l

Phan Đỗ Hùng và cộng sự (2005)[8] đã tiến hành nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng các phương pháp cộng kết tủa với hydroxit sắt, hấp phụ trên các vật liệu nền dioxit mangan tự nhiên và nhân tạo và phương pháp kết hợp oxi hoá bằng tác nhân Fenton - cộng kết tủa Kết quả nghiên cứu cho thấy cả As(III) và As(V) có khả năng cộng kết tủa với hydroxit sắt, tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ As(V) cao hơn nhiều so với As(III)

Viện Hoá học - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu thành công hệ thống xử lý asen trong nước ăn uống quy mô hộ gia đình và cụm gia đình, bệnh viện, cơ quan bằng vật liệu nanocomposite NC-MF (nano composite trên cơ sở oxit phức hợp Mn-Fe) và NC-F20 (vật liệu nano composite trên cơ sở nano oxit sắt từ) tự chế tạo Thiết bị lọc asen gia đình có dung tích máy 30 lít, dung tích chứa nước sạch 25lít; tuổi thọ của vật liệu phụ thuộc vào hàm lượng asen ban đầu, với nồng độ đầu vào nhỏ hơn 100 ppb xử lý được trên

nước ăn uống cho hộ gia đình 4 - 6 người Giá thành 2.000.000 đồng Thiết bị

bệnh xá xã Nhân Khanh, Lý Nhân, Hà Nam (Phạm Văn Lâm, 2001) [12]

Ngoài những công nghệ nêu trên, nhiều đơn vị cũng đã nghiên cứu, tìm kiếm, áp dụng những phương pháp xử lý asen trong nước ngầm, tuy nhiên, thực sự vẫn chưa có nơi nào có công trình hoặc bộ dụng cụ hoàn chỉnh đưa vào thực tế được Tất cả còn cần phải được đầu tư nghiên cứu tiếp tục

Trang 35

Hiện nay, người dân sống trong những vùng có nguồn nước bị nhiễm asen đã áp dụng một số công nghệ xử lý asen đơn giản mà người dân có thể tự làm được Ở các giếng chứa nhiều sắt thì bố trí lại cơ cấu lọc hợp lí để kết hợp

dụng tối ưu khả năng này Tức là tận dụng cái rủi ro nhìn thấy, là nhiều sắt, để hạn chế cái rủi ro không nhìn thấy, không lường trước mà nguy hiểm hơn, là thạch tín/asen (Trần Hữu Hoan, no date) [6]

* Ở hộ gia đình dùng bơm điện

- Giàn mưa làm bằng ống nhựa, đường kính 27 mm, khoan 150-200 lỗ, mỗi lỗ có đường kính 1,5-2mm tuỳ công suất máy bơm đang sử dụng

- Dưới cùng của bể lọc là lớp sỏi đỡ dày khoảng 1 gang, trên lớp sỏi đỡ

là lớp cát dày khoảng 2,5-3 gang

- Không dùng đệm xốp, loại đệm lót giường, hoặc than củi Các vật liệu này dễ sinh phản ứng phụ, sau một thời gian sử dụng, chúng có thể làm tăng nồng độ nitrit trong nước

* Ở hộ gia đình dùng bơm tay: Nước từ vòi bơm róc vào máng mưa Máng mưa cần có nhiều lỗ nhỏ để không khí dễ tan vào nước, phát huy hiệu quả oxi hoá của oxi có sẵn trong không khí

* Bể lọc nên có 3 ngăn: Ngăn đầu dùng lọc cặn, nước thô chảy từ dưới lên; có đường xả cặn ở đáy Ngăn thứ hai dùng lọc tinh, nước chảy từ trên xuống Ngăn thứ ba dùng chứa nước sạch Kích thước tối ưu bể lọc phụ thuộc vào công suất, lưu lượng từng giếng Trung tâm Nước sạch và Vệ sinh Nông thôn tỉnh Thái Bình đã sử dụng loại hình này từ lâu

1.8 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC 1.8.1 Cơ chế loại bỏ asen bằng phương pháp lọc sinh học

Asen (As) có nguồn gốc tự nhiên xuất hiện trong nước giếng tại một số lưu vực sông lớn tại khu vực Nam và Đông Nam Á với hàm lượng cao hơn tiêu chuẩn nước uống của WHO (10ppb) Ngoại trừ các nguồn ô nhiễm mang tính nhân tạo, dạng tồn tại phổ biến của As trong nước ngầm là As (III) và As(V)

So với As (V), As(III) thường phổ biến hơn trong cá c nguồn nước ngầm thiếu khí và khó xử lý hơn

Trang 36

Nước ngầm

Rửa ngược

Trong quá trình thích nghi

Kết thúc quá trình thích nghi

Ôxit sắt có nguồn gốc sinh học

Vật liệu lọc

Hình 1.4 Cơ chế loại bỏ asen trong nước ngầm

bằng phương pháp lọc sinh học

Hầu hết các nguồn nước ngầm có chứa asen đều chứa Fe và Mn, do đó có thể ứng dụng quá trình sinh học sử dụng vi sinh vật oxy hóa sắt (IRB) để

tủa trên bề mặt vật liệu lọc và lợi dụng nó như là chất hấp phụ để loại bỏ Asen

Cơ chế loại bỏ asen trong nước ngầm bằng phương pháp lọc sinh học gồm 4 giai đoạn chính: bắt đầu, trong quá trình thích nghi, kết thúc quá trình thích nghi và rửa ngược, được thể hiện ở hình 1.4 [9, 28]

Trang 37

Để khởi động hệ thống lọc, vi khuẩn bản địa có khả năng ôxy hoá sắt

, Mn2+

và As vào cột lọc trong một thời gian nhất định để vi sinh vật phát triển và thích nghi dần với điều kiện làm việc, cho tới khi hệ đạt được trạng thái cân bằng Khi đó Fe(II), Mn(II) trong nước ngầm được vi khuẩn sắt và mangan (iron related bacteria-IRB) oxy hóa thành Fe(III) dưới dạng FeOx kết tủa,

ứng như sau:

Fe2+(l) Fe3+(FeOx(r)) (nguồn gốc sinh học)

Mn2+ + O2 MnOx (nguồn gốc sinh học)

là IMOs) sẽ hấp phụ cả As(III) và As(V) Các dạng kết tủa oxit sinh học này keo tụ và lắng trên bề mặt vật liệu lọc

đó, asen được loại ra khỏi nước

Trang 38

As(3) standard

12hr 4hr 2hr 0.5hr

ｒｒ r time after the solid –liquid separation

XANES spectra of As sorbed on biogenic iron oxides

Y Fujikawa và cộng sự cũng tiến hành nghiên cứu cơ chế loại bỏ As(III) bằng thí nghiệm hấp phụ: lấy một lượng oxit sắt có nguồn gốc sinh học (bùn sinh học: Fe 31%, Mn 2%), nước ngầm nhân tạo và As (III) cho vào cốc thí nghiệm lớn Sau những khoảng thời gian xác định: 0,5 giờ, 2 giờ, 4 giờ và 12 giờ thì lấy một lượng bùn sinh học ra lọc Phần oxit sinh học hấp phụ As(III) đem đi phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp phụ tia X để xác định dạng As hấp phụ trên các IMO được tạo thành bởi vi sinh vật, còn phần nước lọc thì phân tích tổng nồng độ As và As(III) Kết quả phân tích quang phổ hấp phụ tia X (hình 1.5) cho thấy, sau khoảng thời gian 0,5 giờ và 2 giờ thì đường

đồ thị ứng với đường chuẩn As(III) Nhưng khi cường độ hấp phụ tia X tăng dần, sau khoảng thời gian 4giờ thì đường đồ thị dần chuyển sang đường chuẩn As(V) Và sau 12 giờ thì đường đồ thị chuyển hẳn ứng với đường chuẩn As(V) Như vậy, ban đầu As(III) trong nước ngầm được các IMO hấp phụ dưới dạng As(III) nguyên dạng, sau đó sẽ bị oxy hóa dần dần thành As(V) nhờ hoạt tính sinh học của vi khuẩn sắt

Đường chuẩn As(3)

Đường chuẩn As(5)

Cường độ

hấp phụ

tia-X

Năng lượng tia X (eV)

Thời gian sau khi tách 2 pha

rắn-lỏng

Hình 1.5 Cơ chế loại bỏ asen(III)

Trang 39

1.8.2 Vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan

Từ lâu, một số loài vi khuẩn đã được công nhận về khả năng lắng đọng hyđroxit sắt và oxit mangan trong cấu trúc bên ngoài tế bào (thành và vỏ tế bào vi khuẩn) [32] Để xử lý asen trong nước ngầm bằng phương pháp lọc sinh học, Y Fujikawa và cộng sự đã sử dụng các loài vi khuẩn bản địa, trong

đó vi khuẩn sắt (iron related bacteria - gọi tắt là IRB) là quan trọng nhất IRB là tên gọi của các loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt (Fe) và/hoặc mangan (Mn) hòa tan tạo thành các kết tủa oxit của các kim loại này Những kết tủa oxit này lưu lại trên bề mặt vật liệu lọc và có khả năng hấp phụ, loại bỏ asen trong nước ngầm Chúng thường được tìm thấy trong nước

có nồng độ sắt và mangan tương đối cao (nồng độ sắt lớn hơn 1 ppm, mangan với nồng độ thấp hơn sắt 10 lần) IRB sống khá phổ biến trong đất, các lớp trầm tích và các thủy vực tự nhiên Có ba nhóm chính, bao gồm: Gallionella, IRB có vỏ bọc và IRB dị dưỡng

Hình 1.6 Vi khuẩn sắt (Gallionella)

Nhiều bài báo về lĩnh vực sinh học của vi khuẩn oxi hoá sắt và mangan đã được xuất bản kể từ khi Winogradesky đặt ra khái niệm “vi khuẩn sắt” Trong nghiên cứu của mình, ông quan sát thấy các vi khuẩn dạng sợi Leptothrix ochracea, phát triển mạnh trong môi trường giàu Fe mà không cần bổ sung chất dinh dưỡng hữu cơ Bằng các nghiên cứu tương tự với những nghiên cứu của

Trang 40

ông trên vi khuẩn sulfur, ông công nhận nhưng không bao giờ chứng minh rằng Leptothrix ochracea có thể lấy được năng lượng từ quá trình oxi hoá sắt tới

CO2 và phát triển tự dưỡng [32]

Các loài vi khuẩn sắt (IRB) này có khả năng tự dưỡng, phát triển trong nguồn nước ngầm và trên bề mặt của các vật liệu lọc Tốc độ quá trình oxy hóa của vi khuẩn cao hơn rất nhiều so với quá trình oxy hóa bằng các phương pháp hóa lý bình thường Hơn nữa, vi khuẩn có thể thực hiện được quá trình oxy hóa ở những điều kiện mà các phương pháp hóa lý khó có thể làm được Khu vực xảy ra quá trình oxy hóa sinh học loại bỏ sắt và mangan thể hiện trong đồ thị pH-Eh (hình 1.7)

trung tính và/hoặc hơi kiềm, môi trường giàu oxy trong các hợp chất, thậm chí là thiếu oxy thì một số loài IRB vẫn có thể phát triển được

Hình 1.7 Miền hoạt động của vi khuẩn oxy hoá sắt [28]

Khu vực loại bỏ sinh học Fe

Fe 2+

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	1,79 MB