nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặclàm giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02:2009/BYT hoặc tiêu chuẩn về nước uống của Tổ chức

Lời cảm ơn

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với TS.

Lê Văn Chiều và ThS.Nguyễn Thị Liên đã tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường THPT chuyên Nguyễn Huệ, cha mẹ, bạn

bè đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên chúng em hoàn thành đề tài này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2014

Nhóm tác giả đề tài

Lê Tùng Sơn – Nguyễn Sơn Khuê

Mục lục

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Tính sáng tạo của đề tài 5

3 Lợi ích của đề tài 5

4 Nhiệm vụ của đề tài 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về Asen 6

1.1.1 Asen 6

1.1.2 Tác hại của Asen đối với sức khỏe 6

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam 7

1.2.1 Nước ngầm 7

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam 7

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm 8

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa 8

1.3.2 Xử lý bằng bể lắng 8

1.3 3 Xử lý bằng bể lọc 8

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác) 9

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa 9

1.3.6 Oxi hóa 10

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài 10

Chương 2 THỰC NGHIỆM 12

2.1 Dụng cụ và hóa chất: 12

2.2 Thu mẫu nước: 12

2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm 12

2.4 Các bước làm một thí nghiệm 13

2.5 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 14

2.6 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 14

2.7 Xử lí Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 14

2.8 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 14

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

3.1 Thu mẫu nước 15

3.2 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong các mẫu nước ngầm 15

3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 16

3.4 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 17

3.5 Xử lý Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 18

3.6 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 18

KẾT QUẢ 20

Định hướng trong thời gian tới 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàngđầu ở Việt Nam cũng như trên thế giới Tại Việt Nam, nước ngầm được

sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư

Sự có mặt của Asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùngnông thôn tại Việt Nam đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏecon người Bên cạnh đó tác hại của Asen đối sức khỏe chưa được cảnhbáo đầy đủ đến người dân Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm

2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễmasen vượt quá mức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng

rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặc biệt ở khu vực đồng bằng sôngHồng [3]

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặclàm giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02:2009/BYT hoặc tiêu chuẩn về nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới(World Health Organization - WHO) nhưng các phương pháp đó chỉ cóthể thực hiện được với những hệ thống xử lý nước cấp với công nghệphù hợp, qui mô lớn ở các đô thị, thành phố có kinh tế phát triển Còncác khu vực nông thôn nghèo, vùng sâu, vùng xa thì các công nghệ vẫnchưa được phổ biến và sử dụng một cách rộng rãi do hạn chế về trình

độ dân trí, kinh phí và bất tiện trong việc vận hành và bảo trì

Phương pháp người dân thường áp dụng theo kinh nghiệm đểgiảm thiểu/loại bỏ sắt và asen trong nước giếng khoan là bể lọc cát đơngiản nhưng đôi khi hiệu quả lại không cao do việc vệ sinh, bảo trì khôngđảm bảo

Với mong muốn góp phần giúp người dân có cơ hội được sử dụngnguồn nước sạch bằng những biện pháp, phương tiện đơn giản cùngvới những kiến thức đã học, sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứuchúng em quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm Asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn”

Trong đề tài này, chúng em sử dụng các điều kiện, nguyên liệu cósẵn, dễ kiếm như ánh sáng mặt trời, chanh, nước oxi già (dung dịch

H2O2), đinh sắt gỉ để sử lý nước nhiễm Asen

2 Tính sáng tạo của đề tài

- Chỉ với nước cốt chanh, chai nhựa, giấy nhôm, dung dịch H2O2…(dụng cụ và nguyên liệu dễ kiếm, không độc hại) kết hợp với ánh sángmặt trời để loại bỏ Asen ra khỏi nước ngầm, đồng thời khử trùng nước.Thao tác thực hiện đơn giản, có thể truyền đạt rộng rãi để người dân ápdụng

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt và Asen cao, cần bổsung thêm tác nhân oxi hóa (như H2O2) nhằm tăng khả năng oxi hóaAsen(III) thành Asen (V)

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt thấp: bổ sung thêm sắt(dùng đinh sắt gỉ) với mục đích tạo thêm chất hấp phụ Asen.

3 Lợi ích của đề tài

- Góp phần chứng minh khả năng loại bỏ asen trong nước bằngphương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thường với nhữngnguyên vật liệu đơn giản sẵn có và tận dụng ánh sáng mặt trời làmnguồn năng lượng cho quá trình oxi hóa và khử trùng

- Góp phần tuyên truyền để người dân sống trong những vùngnông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm asen có thể tự làm giảm thiểu/loại

bỏ asen và khử trùng nước để ăn uống, sinh hoạt bằng phương phápđơn giản, dễ thực hiện nhằm bảo vệ sức khỏe cho chính mình và cộngđồng

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu những nguồn nước bị ô nhiễm asen ở địa phương đểlựa chọn mẫu nước để tiến hành thí nghiệm

- Lấy các mẫu nước giếng khoan tại những vùng có nhiều Asen,xác định hàm lượng sắt và Asen trong các mẫu đó

- Tiến hành thí nghiệm với các mức độ bổ sung tăng dần nhằm sosánh khả năng loại bỏ As:

 Không có tác động bên ngoài

 Bổ sung đinh sắt gỉ nhằm tăng cường quá trình hấp phụ As

- Lấy mẫu nước sau thí nghiệm đem đi phân tích kết quả sắt vàAsen

- Đồng thời kiểm tra nước sau xử lý còn khuẩn E.coli và Coliformkhông

ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)] As(V) là dạngtồn tại chủ yếu của As trong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của

As trong nước ngầm

1.1.2 Tác hại của Asen đối với sức khỏe

Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống cóchứa asen ở nồng độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiềuhợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm) Asen phá

vỡ việc sản xuất ATP thông qua vài cơ chế Ở cấp độ của chu trình axítcitric, asen ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh vớiphốtphat nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình

khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợpATP Sản sinh của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạothành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa Các can thiệp traođổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơquan Các hiệu ứng bao gồm sự thay đổi màu da, sự hình thành củacác vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàngquang cũng như có thể dẫn tới hoại tử Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã

đề nghị mức giới hạn của asen là 0,01 mg/L trong nước uống

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam

1.2.1 Nước ngầm

Nước ngầm là chỉ loại nước nằm bên dưới bề mặt đất trong cáckhông gian rỗng của đất và trong các khe nứt của các thành tạo đá, vàcác không gian rỗng này có sự liên thông với nhau Một đơn vị đá hoặccác dạng tích tụ vật liệu không cố kết được gọi là tầng chứa khi nó cóthể cung cấp một lượng nước có thể sử dụng được Ở Việt Nam việckhai thác nước ngầm là phổ biến, các hình thức: giếng đào, giếngkhoan, giếng khoan nhà máy nước Đối với nhiều đô thị, chẳng hạnnhư Hà Nội, nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước ngầm.

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Vì ở trong điều kiện yếm khí (anaerobic), hầu hết arsenic trongnước ngầm ở Việt Nam ở dưới dạng arsenite [As(III)], một hợp chấtarsenic hữu cơ có độc tính cao nhất Khi tiếp xúc với không khí hay tia

tử ngoại (ultra violet), arsenite bị oxy hóa thành arsenate [As(V)] ít độchơn Khu vực bị ô nhiễm Asen cao nhất là ở đồng bằng sông Hồng vàđồng bằng sông Cửu Long ÐBSH và ÐBSCL được cấu tạo bởi phù samới trong thời kỳ Holocene và Pleistocene nên nước ngầm ở hai vùngnầy có đặc tính gần giống nhau, đó là chứa nhiều sắt (iron),manganese, và ammonium Kết quả phân chất cho thấy nồng độ củasắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình 2,26 mg/l) trong cácmẩu nước ngầm ở An Giang và Ðồng Tháp vào năm 2004 và 48 mg/l(trung bình 13 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở gần Hà Nội vào năm

2002 [24] Sự hiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loại trừ hoặclàm giảm nồng độ arsenic trong nước ngầm, vì arsenate kết hợp vớiFe(III) để thành FeAsO4 rồi bị loại ra khỏi nước ngầm khi kết tủa vớiFe(OH)3 Khu vực đồng bằng 9ung Hồng bao gồm Hà Nội và các tỉnh

phía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asencao.

các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa

Nước nguồn hay nước giếng khoan thường tồn tại dưới dạng

Fe2+, Mn2+ Giàn mưa có tác dụng oxy hoá chuyển đổi thành Fe3+ và

Mn4+ và một số tác nhân mang tính khử khác như As (III) cũng đượcoxy hoá lượng nhỏ

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác)

Trong công nghệ NanoVAST, một hệ thống tiền xử lý theo kỹ thuậtthông thường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ Nhiệm vụ của hệthống này là bão hòa oxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… vàqua đó giảm tối đa nồng độ asen và các chất rắn lơ lửng Hiệu quả làmviệc của hệ thống này là rất quan trọng nhằm giảm tải và chống làm bẩncác chất hấp phụ Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này có thể đượcthiết kế khác nhau

Ưu điểm: Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 hấp phụ với tốc độ

nhanh với dung lượng rất cao, khi cân bằng nồng độ asen trong nướcnhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép (10 ppb) Việc ghép nối hệ thống tiền xửlý với hệ thống lọc nano trên nền vật liệu NC-F20 và NC-MF cho phépkéo dài thời gian làm việc do nồng độ asen đầu vào của cột hấp phụNC-F20 giảm, tăng thời gian sống của NC-MF và NC-F20 và làm giảmgiá thành

Nhược điểm: Việc kết nối Nano VAST với hệ thống tiền xử lý thông

thường (oxy hóa, lắng, lọc) vẫn sinh ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng)chứa nồng độ cao của asen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bịlắng Thiết bị lọc thô và vật liệu CIM…)

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa

Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặcmangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên Đây là phương pháp xử lýđơn giản nhất, bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làmthoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa.Asen (III) được oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả năng hấp phụlên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo thành vàlắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bểlọc Nghiên cứu của Trung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), TrườngĐHXD và Trung tâm CNMT & PTBV (CETASD), Trường ĐHKHTN năm

2000 – 2002 cho thấy công nghệ hiện đại có tại các nhà máy nước ở

Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, cho phép loại bỏ 50 – 80%Asen có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội Nghiên cứu gầnđây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩcho thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi cóhàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầmbằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các

hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80% Asen trong nước ngầmcùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu này cũng đãchỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháptrên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước

nguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asenthấp dưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương phápkhác.

1.3.6 Oxi hóa

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được

phép sử dụng trong cấp nước như Clo, KmnO4, H2O2, Ozon

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương

pháp dùng điện cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nướcquy mô nhỏ

Oxy- quang hóa: Công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các

chất hòa tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cáchđưa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vàonước rồi sau đó lắng) Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sụckhí Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sửdụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy ra

ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bịphức tạp Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể

sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chiphí xử lý chính là các chất oxy hóa này

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài

Trên cơ sở nguyên lý phản ứng oxi hóa quang hóa với nguồnnăng lượng từ ánh sáng mặt trời, kết hợp điều chỉnh pH bằng nước cốtchanh phù hợp cho quá trình oxi hóa Fe(II) thành Fe(III), As(III) thànhAs(V), làm tăng cường khả năng hấp phụ As(V) trên hiđroxit sắt mới

sinh dẫn đến làm tăng khả năng loại bỏ As trong nước Nước ngầmkhi vừa lấy lên thường chứa nhiều sắt (II) và Asen (III) Sắt ở trongnước ngầm sẽ được sử dụng để tạo chất hấp phụ asen Khi phơi nắngcho thêm chanh thì xảy ra các quá trình sau:

Fe(II) hv,chanh  Fe(III) dạng FeOOH

As(III) (asenit)  hv As(V) (asenat) Sắt hiđroxit mới sinh có khả năng hấp phụ asen dạng asenat tốtnhất As(V) hấp phụ trên bề mặt của kết tủa FeOOH và lắng xuốngdưới

Với việc sử dụng các tấm giấy thiếc hoặc nhôm được gấp lại làmtăng cường khả năng phản xạ, tích tụ nhiệt và các tia UV trong ánhsáng mặt trời vào khối nước tạo điều kiện cho phản ứng quang hóadiễn ra triệt để, đồng thời cho phép diệt khuẩn, đảm bảo nước sau xử lý

an toàn về mặt sinh học

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Dụng cụ và hóa chất:

- Chai nhựa Lavie loại 500 ml; 350 ml

- Dung dịch HNO3 (xuất xứ: Trung Quốc)

- Dung dịch H2O2 3% (nước oxi già) có thể mua ở các hiệu thuốcthông thường

- Nước cất 2 lần, chanh, giấy nhôm

- Đo tại: Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – ViệnCông nghiệp thực phẩm (địa chỉ: 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, HàNội).

2.2 Thu mẫu nước:

Nước ngầm được lấy tại 3 địa điểm là xã Hồng Dương, huyệnThanh Oai; xã Đông La, huyện Hoài Đức; quận Hà Đông (HĐ1), Hà Nội

Tiến hành làm thực nghiệm ngay sau khi nước được lấy lên Nướcchưa đem phân tích được phải bảo quản trong tủ lạnh (4oC)

2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm

Lấy các mẫu nước ngầm đã chọn để đo nồng độ Fe và As banđầu có trong các mẫu nước đó tại Trung tâm phân tích và giám địnhthực phẩm quốc gia – Viện Công nghiệp thực phẩm Kí hiệu các mẫu

như sau: Thanh Oai (TO1); Đông La, Hoài Đức (ĐL1); Hà Đông (HĐ1)

+ Thêm các điều kiện cần khảo sát vào chai (ví dụ: nước cốt chanh,dung dịch H2O2 3% , ).

+ Nút kín, lắc mạnh trong khoảng 30 giây để oxi tan tối đa trong nước + Phơi nắng trong một ngày từ 7.00h đến 17.00h: chai được đặt nằmngang và tốt nhất là đặt trên tấm giấy nhôm (loại bọc thực phẩm)

Yêu cầu: trời phải nắng ráo, ít mây, tốt nhất là làm vào mùa hè + Sau khi phơi nắng, đặt chai thẳng đứng và để lắng qua đêm

+ Gạn, lọc qua lớp bông y tế (lớp bông xốp dày 1,0 cm đặt trên phễunhựa), loại bỏ phần cặn rồi trút vào chai 350ml (cũng được tráng nhưchai 500ml)

+ Mẫu nước được bảo quản trong ngăn mát tủ lạnh (4oC)

+ Nước sau khi xử lý được đem xác định lại nồng độ Asen và Fe đótại Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Côngnghiệp thực phẩm