simultaneous removal of arsenic and ammonia from groundwater by phytofiltration with cattails (typha spp.) cultivation tt

Tuy nhiên, khi ứng dụng các phương pháp xử lý này vào thực tiễn thì gặp một số khó khăn sau như vận hành phức tạp, đòi hỏi kỹ năng và kiến thức cao, chi phí xử lý cao, khó khăn trong việ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-o0o -

NGUYỄN TIẾN CỬ

SIMULTANEOUS REMOVAL OF ARSENIC AND

AMMONIA FROM GROUNDWATER BY

PHYTOFILTRATION WITH CATTAILS (TYPHA

SPP.) CULTIVATION

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ CHẤT THẢI VÀ XỬ LÝ VÙNG Ô NHIỄM

(CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO QUỐC TẾ)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÊ VĂN CÁT

HÀ NỘI – NĂM 2008

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE TECHNISCHE UNIVERSITAT DRESDEN

1.2 Tình hình ô nhiễm arsenic và ammonia nguồn nước ngầm 11

1.2.1 Tình hình ô nhiễm arsenic nguồn nước ngầm: 11

1.2.2 Tình hình ô nhiễm ammonia nguồn nước ngầm 16

1.4.2 Cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây 23

3.1 Quá trình phát triển sinh khối của cây cỏ nến Cattails (Typha spp.) 40

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Nguồn nước ngầm đang sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt tại hai vùng đồng bằng lớn nhất Việt Nam là Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long rất hay bị ô nhiễm, đặc biệt là arsenic và ammonia

Xác suất bắt gặp nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia có nồng độ cao từ 10 mg/L đến 30 mg/L khoảng 80% đến 90% tại một số điểm thuộc vùng Đồng bằng Sông Hồng [Le Van Cat, Tran Mai Phuong, 2005] Tại Đồng bằng Sông Cửu Long, nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia cũng rất đáng báo động, giao động từ 0.1 mg/L đến 35 mg/L [M Berg, 2006]

Bên cạnh đó, nguồn nước ngầm tại hai khu vực đồng bằng sông này cũng đang bị nhiễm bẩn arsenic với mức độ nghiêm trọng [WB, 2002] Nồng độ arsenic dao động

từ 1 µg/L đến 3050 µg/L, nồng độ trung bình là 430 µg/L (với trên 48% vượt mức 50 µg/L và 20% vượt mức 150 µg/L) tại vùng đồng bằng Sông Hồng [Tran Hong Con, 2006] Tại vùng Đồng bằng Sông Mekong, mức độ ô nhiễm arsenic trong nguồn nước ngầm cũng rất cao, nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 845 µg/L [M Berg

Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, chủ yếu là các hộ gia đình sống ở các vùng nông thôn, cần thiết phải có những công nghệ xử lý nước thích hợp với điều kiện của

họ

Cho đến nay, một số kỹ thuật xử lý nước đã được nghiên cứu và áp dụng tại Việt

với các quy mô và phạm vi xử lý khác nhau Tuy nhiên, khi ứng dụng các phương pháp xử lý này vào thực tiễn thì gặp một số khó khăn sau như vận hành phức tạp, đòi hỏi kỹ năng và kiến thức cao, chi phí xử lý cao, khó khăn trong việc bảo trì, bảo dưỡng, có thể xử lý triệt để một chất ô nhiễm, nhưng khó khăn trong việc xử lý đồng thời các chất ô nhiễm…

Do vậy, đối với các nguồn nước ngầm bị nhiễm đồng thời arsenic và ammonia thì những khó khăn nêu trên càng lớn hơn vì phải áp dụng các công nghệ riêng lẻ trong một tổ hợp hệ thống xử lý phức tạp mới có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm

Với mong muốn phát triển một loại hình công nghệ xử lý với mục tiêu xử lý đồng thời arsenic và ammonia (và một số tạp chất khác) trong nước ngầm, phương thức vận hành đơn giản, chi phí thấp, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng…hệ thống xử lý theo phương pháp lọc kết hợp với trồng cây thích hợp được đề xuất nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, hệ xử lý lọc cát kết hợp với trồng cây cỏ nến (Typha spp.) được lựa chọn nhằm đánh giá khả năng xử lý của hệ lọc cát - thực vật đối với việc loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia trong nguồn nước máy bị ô nhiễm

2 Mục đích nghiên cứu:

1 Kiểm tra khả năng xử lý loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia từ nguồn nước

bị nhiễm hai loại chất này bằng phương pháp lọc kết hợp trồng cây Cỏ nến

(Typha spp.)

2 Xây dựng và phát triển công nghệ xử lý tối ưu cho quá trình xử lý loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia (và các chất ô nhiễm khác) từ nguồn nước ngầm, đạt tiêu chuẩn nước uống

3 Giới hạn phạm vi nghiên cứu:

3.1 Phạm vi nghiên cứu của luận văn được giới hạn:

 Sử dụng nguồn nước máy có đầu ra tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Sau đó, làm nhiễm bẩn nguồn nước máy này bằng các hợp chất arsenite As(III), arsenate As(V) và ammonia để tiến hành nghiên cứu, làm thí nghiệm;

 Hệ xử lý ở quy mô “mô hình thí điểm”;

o Các vấn đề nghiên cứu được giới hạn:

 Phân tích hàm lượng arsenite, arsenate và ammonia đầu vào;

 Phân tích hàm lượng arsenic, ammonia, nitrite và nitrate đầu ra;

 Chỉ giới hạn trên một loại cây trồng: cây cỏ nến (Typha spp.)

4 Nhiệm vụ và nội dung thực hiện:

 Thu thập và chọn lọc các loại thực vật có tiềm năng xử lý đồng thời arsenic và ammonia;

 Tiến hành trồng cây và khảo sát, đánh giá khả năng xử lý đồng thời arsenic và ammonia giữa chúng;

 Chọn ra cây thích hợp nhất: cây cỏ nến (Typha spp.);

 Tiến hành nghiên cứu “thí điểm” khả năng xử lý arsenic và ammonia trong nước ngầm bằng phương pháp lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến;

 Phân tích và đánh giá kết quả;

 Kết luận và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo

5 Cơ sở và tài liệu để thực hiện khóa luận:

 Tình hình ô nhiễm đồng thời arsenic và ammonia trong nước ngầm tại Việt Nam;

 Các tài liệu chuyên ngành (Tiếng Anh và Tiếng Việt) liên quan;

 Các bài báo, tạp chí chuyên ngành (Tiếng Anh và Tiếng Việt) liên quan;

6 Phương pháp nghiên cứu:

 Phương pháp thu thập thông tin từ các nguồn tài liệu chuyên ngành liên quan;

 Phương pháp điều tra và chọn lọc thông tin, số liệu một cách chính xác và trung thực nhất;

 Phương pháp phân tích thống kê, xử lý số liệu

7 Luận điểm bảo vệ:

 Tình hình ô nhiễm nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động, đặc biệt là

bị nhiễm bẩn arsenic và ammonia;

 Tính cấp thiết của đề tài nhằm tìm ra hướng và công nghệ xử lý đồng thời arsenic

và ammonia trong nước ngầm một cách hiệu quả nhất (cả về kinh phí và cách thức vận hành công nghệ);

 Hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu; Trong đó nhấn mạnh đến hệ xử

lý lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt;

 Đưa ra một số giải pháp cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm xử lý đồng thời arsenic và ammonia đạt hiệu quả cao nhất

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn:

Nghiên cứu đã đưa ra được một số kết quả và kết luận cơ bản nhằm xác lập cơ sở khoa học cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo:

 Chọn lọc được một số cây có khả năng xử lý arsenic và ammonia hiệu quả;

 Hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu;

 Tối ưu hóa quá trình thiết kế hệ xử lý;

 Đưa ra các vấn đề cần quan tâm trong các nghiên cứu tiếp theo

Đáp ứng nhu cầu thực tiễn:

 Tình hình ô nhiễm nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động, đặc biệt là

bị nhiễm bẩn arsenic và ammonia;

 Cần thiết tìm ra hướng và công nghệ xử lý đồng thời arsenic và ammonia trong nước ngầm một cách hiệu quả nhất (cả về kinh phí và cách thức vận hành công nghệ);

 Chứng minh hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu; Trong đó nhấn mạnh đến hệ xử lý lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt;

 Nghiên cứu này cũng chính là một thông điệp gửi đến các cấp chính quyền và nhân dân đang sinh sống và làm việc tại những khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, đặc biệt bị nhiễm arsenic và ammonia, nhằm thu hút sự quan tâm đến vấn

đề bảo vệ chính bản thân nói riêng và bảo vệ môi trường xung quanh nói chung, đồng thời định hướng nhiệm vụ bảo vệ môi trường, phát triển bền vững song song với nhiệm vụ phát triển kinh tế - xã hội của vùng

9 Những đóng góp mới của luận văn:

 Nhận diện và tóm tắt một cách tổng quát các khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm đồng thời arsenic và ammonia tại Việt Nam;

 Lựa chọn được một số loài cây thích hợp để xử lý đồng thời arsenic và ammonia; trong đó, cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt nhất;

 Đã thiết kế được hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây cỏ nến và từng bước tối ưu hóa quá trình thiết kế hệ xử lý;

 Đưa ra một số vấn đề quan tâm cho các nghiên cứu về hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây tiếp theo;

10 Cấu trúc luận văn:

Luận văn gồm có 3 chương và các phần được sắp xếp theo thứ tự sau:

Mở đầu

Chương 1 - Tổng quan

Chương 2 - Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 - Kết quả và thảo luận

Kết luận

Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Tài liệu tham khảo liên quan

Phụ lục

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tình hình ô nhiễm arsenic và ammonia trong nguồn nước ngầm:

Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn nước phong phú và đa dạng Tuy nhiên, ô nhiễm arsenic và ammonia trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động [WEPA, 2007]

Ô nhiễm arsenic:

Các cuộc khảo sát nguồn nước mặt và nước ngầm từ Bắc chí Nam, đặc biệt ở hai vùng Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Mekong đã được thực hiện thường xuyên và đã cảnh báo là tình trạng ô nhiễm arsenic trong nguồn nước là một nguy cơ

có thật Nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 3050 µg/L, nồng độ trung bình là

430 µg/L (với trên 48% vượt mức 50 µg/L và 20% vượt mức 150 µg/L) tại vùng đồng bằng Sông Hồng [Tran Hong Con, 2006] Tại vùng Đồng bằng Sông Mekong, mức độ ô nhiễm arsenic trong nguồn nước ngầm cũng rất cao, nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 845 µg/L [M Berg et al., 2006]

Các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc arsenic là chứng sạm da (melanosis), làm dày biểu bì (keratosis) từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da

Hiện chưa có phương páp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc As

Nguồn ô nhiễm arsenic:

Nguồn ô nhiễm arsenic có thể là các quá trình tự nhiên (phun trào núi lửa, hoạt động magma, nhiệt dịch, phong hóa ) và đặc biệt là các hoạt động nhân sinh (đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt rác, nấu chảy quặng, luyện kim, khai thác và chế biến quạng, nhất

là quặng sulfua và arsenua, sản xuất vá sử dụng thuốc trừ sâu diệt cỏ, phân hóa học,

vũ khí hóa học )

Hình 1.1 - Ô nhiễm arsenic trong nguồn nước ngầm tại vùng Đồng bằng Sông

Hồng [FAO, 2007]

Bảng 1.1 - Nồng độ arsenic trong nguồn nước ngầm tại một số vùng nông thôn

Đồng bằng Sông Hồng năm 2001 [M Berg et al., 2006]

Vùng n trung bình (µg/L) Nồng độ arsenic Dãy nồng độ (µg/L)

Bảng 1.2 - Nồng độ arsenic trong nguồn nước ngầm tại một số vùng nông thôn Đồng bằng Sông Mekong (phân tích mẫu tháng 6 năm 2004 (n = 112) [M Berg et

al., 2006]

Trung bình Dãy nồng độ (µg/L) Nồng độ arsenic trung bình (µg/L) 39 1 – 845

1.2 Ô nhiễm ammonia trong nguồn nước ngầm:

Ô nhiễm ammonia:

Xác suất bắt gặp nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia có nồng độ cao từ 10 mg/L đến 30 mg/L khoảng 80% đến 90% tại một số điểm thuộc vùng Đồng bằng Sông Hồng [Le Van Cat, Tran Mai Phuong, 2005] Tại Đồng bằng Sông Cửu Long, nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia cũng rất đáng báo động, giao động từ 0.1 mg/L đến 35 mg/L [M Berg, 2006]

Hình 1.2 - Tình hình ô nhiễm ammonia tại một số địa điểm thuộc Thành phố Hà

Nội [CETASD, 2004]

Bảng 1.3 - Nồng độ NH 4 + -N và NO 2 - -N trung bình trong các mẫu nước ngầm

thuộc Đông bằng Sông Mekong (năm 2004) [M Berg et al., 2006]

Trung bình Dãy nồng độ Nồng độ NH 4 + -N (mg/L) 5.0 0.1 - 35

Nguồn ô nhiễm ammonia:

Nguồn ô nhiễm ammonia tự nhiên (quá trình cố định sinh học, chu trình nitơ tự nhiên…) hoặc do con người (các hoạt động sản xuất có sử dụng các hợp chất nitơ, sử dụng phân bón, các hoạt động công nghiệp…)

1.3 Các phương pháp xử lý hiện có:

Xử lý arsenic:

Để xử lý arsenic trong nước ngầm có thể áp dụng các công nghệ xử lý: kết tủa, hấp

thụ, trao đổi ion (trên vật liệu anionite hoặc y-Al2O3) Một số phương pháp khác ví

dụ lọc màng hay điện hóa vẫn đang trong quá trình nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ, chưa áp dụng trong thực tiễn

Kết tủa với sắt có hiệu quả tách loại arsenic cao Một số nguồn nước ngầm chứa sắt khi xử lý đã đồng thời tách loại một lượng đáng kể arsenic trong nguồn nước ngầm Hiệu quả tách loại arsenic phụ thuộc vào hàm lượng sắt (vô cơ), hàm lượng

Trao đổi arsenic trên vật liệu anionite có hiệu quả khi nguồn nước ngầm chứa ít sunfate, clorua và pH cao Khó khăn là ở giai đoạn tái sinh chất anionite và để có hiệu quả xử lý cao thì cần phải oxi hóa arsenite lên arsenate với các hóa chất đủ mạnh như H2O2, Clo hoạt động, Ozone…Điều kiện trên rất khó thực hiện đối với quy mô xử lý nhỏ lẻ

Trao đổi trên vật liệu y-Al2O3, tuy không vấp phải khó khăn về nồng độ chất vô cơ

tan trong nước, nhưng cũng gặp phải khó khăn trong các bước tái sinh nhiều bước Hấp phụ là phương pháp dễ áp dụng cho quy mô nhỏ, đặc biệt với hệ chất có đồng thời hai tính năng: xúc tác oxi hóa và hấp phụ Hệ có tính chất trên là các loại vật liệu trên cơ sở oxit mangan và oxit sắt thích hợp

Xử lý ammonia:

Công nghệ xử lý ammonia cho nước sinh hoạt cho đến nay gồm các phương pháp: Clo hóa tại điểm đột biến, Trao đổi ion trên vật liệu clinoptilolite, và Phương pháp vi sinh (nitrat hóa và khử nitrat hóa) Áp dụng phương pháp xử lý nào phụ thuộc vào các yếu tố: nồng độ ammonia trong nước, điều kiện kinh tế cho phép, quy mô xử lý, điều kiện sẵn có về phương diện công nghệ, nguyên liệu Tiêu chí cần xét đến là chi phí và quy mô xử lý Đối với quy mô xử lý nhỏ (hộ gia đình hay cụm hộ gia đình) thường gặp khó khăn hơn so với quy mô xử lý lớn do bị khống chế bởi yếu tố tài chính, điều kiện duy trì và bảo dưỡng hệ xử lý

Đứng trước thực trạng đó, nhu cầu có trong tay một loại hình công nghệ hệ xử lý đơn giản để người dân có thể sử dụng phù hợp với hoàn cảnh của họ, có kinh phí xử lý thấp, dễ vận hành và có thể xử lý đồng thời nhiều tạp chất là cần thiết

Hệ xử lý kết hợp giữa thực vật (thích hợp) với phương pháp lọc cát truyền thống có khả năng đáp ứng mục đích trên

1.4 Đặc điểm và nguyên lý của hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây:

Trong quá trình nghiên cứu sử dụng các loại thực vật để xử lý nước thải, phục hồi môi trường, đất bị ô nhiễm, các nhà khoa học đã phát hiện thấy các loại thực vật có khả năng tích lũy một số kim loại nặng có mặt trong môi trường theo các cơ chế khác

nhau: hấp thụ bên ngoài tế bào, tham gia cấu tạo tế bào (đồng hóa) Mức độ tích lũy kim loại nặng phụ thuộc vào: loại cây, tuổi cây, tốc độ phát triển sinh khối, dạng tồn

tại của kim loại nặng…

Ngoài ra, ammonia là thành phần cấu tạo nên tế bào thực vật, được lấy chủ yếu từ nguồn phân bón (đạm) Thành phần đạm (protein) trong thực vật phụ thuộc vào dạng, tuổi cây và cả điều kiện sinh trưởng của chúng Một số loại thực vật có khả năng cung cấp oxy cho vùng xung quanh rễ cây, tạo điều kiện cho vi sinh vật hiếu khí sống xung quanh hệ rệ phát triển Vùng cách xa rễ có nồng độ oxy thấp hơn, kích thích các loại vi sinh vật tùy nghi phát triển và tạo ra sự chênh lệch thế oxi hóa - khử trong một vùng không gian hẹp Thực vật có khả năng cung cấp oxy cho đất là các loại có than rỗng và có cấu tạo bộ rễ chum, có tốc độ phát triển sinh khối mạnh

Trong một tầng lọc cát được trồng cây có khả năng cung cấp oxy, khi nước chứa ammonia chảy qua sẽ xảy ra một loạt các quá trình liên quan đến xử lý ammonia:

- Thực vật hấp thu ammonia để cấu tạo tế bào Ammonia là dạng phân đạm được thực vật ưa chuộng nhất so với các dạng hợp chất nitơ khác

- Trong tầng lọc có mặt oxy hòa tan sẽ thúc đẩy các loại vi sinh tự dưỡng hiếu khí phát triển Chúng làm nhiệm vụ oxy hóa ammonia thành nitrite và nitrate Có rất nhiều bằng chứng cho thấy rằng các loại vi sinh vật này có mật độ rất cao xung quanh vùng rễ cây Trong vùng không gian xa hệ rễ, do thiếu oxy và có mặt nitrite và nitrate nên loại vi sinh vật dị dưỡng tùy nghi có điều kiện phát triển Chúng khử nitrite và nitrate thành khí nit ơ với tác nhân nhường điện tử là các chất hữu cơ có mặt trong nước nguồn hoặc từ quá trình phân hủy nội sinh của vi sinh vật hay thực vật

- Sử dụng các loại thực vật sống nửa nổi nửa chìm trong nước (emergent plants) (có

rễ và than ngập trong nước, lá và phần thân trên biểu hiện trong không khí) thì phần thân cây ngập trong nước đóng vai trò giá thể để cho vi sinh vật (chủ yếu là hiếu khí) phát triển

Tất cả các quá trình trên đều đóng góp vào việc chuyển hóa và tách bỏ ammonia ra khỏi môi trường nước Phương pháp này đã được sử dụng khá phổ biến trong xử lý