Nghiên cứu xây dựng mô hình xử lý arsen trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ

Một mặt vì lượng nước cấp hay còn gọi là nước máy vẫn chưa đáp ứng được hết nhu cầu của người dân, mặt khác do thói quen nên nguồn nước tự nhiên nước mặt, nước ngầm hay nước mưa vẫn còn

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ – MÔI TRƯỜNG

VŨ THỊ ĐAN THANH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH XỬ LÝ ARSEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ – KẾT TỦA KẾT HỢP VỚI

PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

An Giang, 05/2011

KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ – MÔI TRƯỜNG

VŨ THỊ ĐAN THANH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH XỬ LÝ ARSEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ – KẾT TỦA KẾT HỢP VỚI

PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

GVHD: Ths TRƯƠNG ĐĂNG QUANG Ths NGUYỄN TRUNG THÀNH GVPB: Ths PHAN TRƯỜNG KHANH

Ths PHẠM THỊ MAI THẢO

An Giang, 05/2011

Long Xuyên, ngày tháng…… năm 2011 Giáo viên hướng dẫn

Th.s Trương Đăng Quang

Long Xuyên, ngày tháng…… năm 2011 Giáo viên hướng dẫn

Th.s Nguyễn Trung Thành

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt những năm tháng học tập tại trường Đại học An Giang, em đã nhận được sự chỉ dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của toàn thể quý thầy cô trong khoa Kỹ thuật – Công nghệ – Môi trường nói chung và quý thầy cô trong bộ môn Môi trường và Phát triển bền vững nói riêng Trong bốn năm học, quý thầy cô đã hết lòng giảng dạy và truyền đạt những kiến thức cũng như những kinh nghiệm của bản thân để em có thể hoàn thành tốt khóa học và khóa luận tốt nghiệp của mình Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến:

Gia đình đã nuôi dạy và luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ em vượt qua mọi khó khăn

Toàn thể quý thầy cô trong bộ môn Môi trường và Phát triển bền vững, các bạn sinh viên lớp DH8MT đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành tốt khóa luận

Bằng tấm lòng biết ơn của mình, em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trung Thành và thầy Trương Đăng Quang đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy và tạo điều kiện để em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp của mình

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp một cách tốt nhất, nhưng vì vốn kiến thức và thời gian thực hiện khóa luận có hạn nên không thể nào tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để hoàn thiện đề tài tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Long Xuyên, ngày 12 tháng 05 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Vũ Thị Đan Thanh

MỤC LỤC

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2

2.1 Tổng quan về nước ngầm 2

2.1.1 Vai trò của nước ngầm đối với đời sống 2

2.1.2 Thành phần và đặc điểm của nước ngầm 2

2.1.3 Nguồn gốc và nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm 3

2.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang 3

2.2 Tổng quan về arsen 4

2.2.1 Arsen là gì? 4

2.2.2 Nguồn gốc và sự phân bố của As trong môi trường 5

2.2.3 Lợi ích của As trong cuộc sống 5

2.2.4 Tác hại của As đối với con người và các loài động thực vật 6

2.2.5 Nguồn gốc ô nhiễm As 10

2.3 Hiện trạng nguồn nước ngầm bị nhiễm As 11

2.3.1 Tại Việt Nam 11

2.3.2 Tình hình nhiễm As ở Đồng bằng sông Cửu Long 12

2.3.3 Tình hình nhiễm As trên địa bàn tỉnh An Giang 12

2.4 Lý thuyết về một số phương pháp xử lý As 13

2.4.1 Phương pháp keo tụ – kết tủa 13

2.4.2 Phương pháp hấp phụ 14

2.4.3 Phương pháp trao đổi ion 15

2.4.4 Công nghệ lọc 15

2.5 Một số hệ thống xử lý asren trong nước ngầm 16

2.5.1 Hệ thống xử lý arsen trong nước ngầm quy mô hộ gia đình 16

2.5.2 Mô hình xử lý arsen bằng cách lọc trên giá thể cát, đá, than hoạt tính được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại trường Đại học An Giang 19

2.6 Phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ bằng

sục khí và vật liệu zeolite 20

2.6.1 Phương pháp sục khí 20

2.6.2 Vật liệu zeolite 21

Chương 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Đối tượng nghiên cứu 24

3.2 Thời gian nghiên cứu 24

3.3 Mục tiêu nghiên cứu 25

3.4 Nội dung nghiên cứu 25

3.5 Phương tiện và vật liệu nghiên cứu 26

3.6 Phương pháp nghiên cứu 26

3.6.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 26

3.6.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 26

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 Kết quả phân tích hàm lượng As, Fe đầu vào và đầu ra 32

4.2 Ưu điểm và hạn chế của mô hình 37

4.3 Nhận xét chung 38

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

5.1 Kết luận 41

5.2 Kiến nghị 42

PHỤ LỤC 43

Phụ lục 1 43

Phụ lục 2 45

Phụ lục 3 49

Phụ lục 4 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 3.1: Lịch trình làm việc 24 Bảng 4.1: Kết quả đo lưu lượng dòng chảy của các nghiệm thức 33 Bảng 4.2: Nhận xét chung về 2 mô hình đã được tham khảo và mô hình xử lý

As trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ nêu trên 38

Bảng P.1.1: Giá trị giới hạn của các thông số chất lượng nước ngầm (theo

QCVN 09:2008/BTNMT) 43

Bảng P.2.1: Số liệu giếng theo mục đích sử dụng (năm 2007) 45

Bảng P.2.2: Kết quả quan trắc chất lượng nước ngầm 4/2008 tại các khu vực

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1: Sự hình thành ATP 6

Hình 2.2: As (III) phản ứng với nhóm -SH 7

Hình 2.3: Vẩy sừng trên lòng bàn tay 8

Hình 2.4: Ung thư da trên cánh tay 9

Hình 2.5: Các con đường thâm nhập của As 11

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống xử lý As trong nước ngầm 17

Hình 2.7: Sơ đồ công nghệ 19

Hình 3.1: Mô hình xử lý As 28

Hình P.4.1: Sỏi đỡ 51

Hình P.4.2: Cát 51

Hình P.4.3: Zeolite 51

Hình P.4.4: Sục khí 51

Hình P.4.5: Cặn lắng sau khi sục khí 51

Hình P.4.6: Nước đầu ra sau cột lọc 51

Hình P.4.7: Nước đầu ra 1 52

Hình P.4.8: Nước đầu ra 2 52

Hình P.4.9: Nước đầu ra 1 và 2 52

Hình P.4.10: Nước đầu vào, đầu ra 1 và đầu ra 2 52

Hình P.4.11: Mô hình xử lý As trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ 52

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

QCVN 09:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước

UNICEF Quỹ bảo trợ Nhi đồng của Liên Hiệp Quốc

(United Nations Children's Fund)

Chương 1: GIỚI THIỆU

Nước là nhu cầu thiết yếu của con người Một mặt vì lượng nước cấp (hay còn gọi là nước máy) vẫn chưa đáp ứng được hết nhu cầu của người dân, mặt khác do thói quen nên nguồn nước tự nhiên (nước mặt, nước ngầm hay nước mưa) vẫn còn được sử dụng rộng rãi, chủ yếu phục vụ cho các sinh hoạt hàng ngày Vì không được xử lý nên chúng ta không thể kiểm soát được hàm lượng của các thành phần có mặt trong nước như Fe2+

, Fe3+, Cl-, SS, vi sinh vật,… đặc biệt là sự tồn tại của các chất độc hại như arsen trong nước ngầm Theo Cục Y tế dự phòng – Bộ Y tế, một số căn bệnh truyền nhiễm: cúm, tiêu chảy, sốt rét, sốt xuất huyết, quai bị, viêm gan virut, thủy đậu, đều có liên quan đến nguồn nước bị nhiễm arsen và nhiều chất hữu cơ khác

Arsen được biết đến là chất cực độc, chỉ với một lượng nhỏ khoảng 0,06 g cũng đủ gây ngộ độc cho cơ thể con người Hiện nay, loài người vẫn chưa tìm ra được thuốc đặc trị cho những căn bệnh do bị nhiễm arsen gây ra như ung thư da, phổi, đường tiêu hóa,… Đặc biệt sự hiện diện của arsen trong nguồn nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt hàng ngày càng làm gia tăng nguy cơ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người dân, nhất là các căn bệnh về da và đường ruột Mặc dù hiện nay trên thế giới nói chung, Việt Nam nói riêng đã có rất nhiều phương pháp cũng như mô hình xử lý arsen, thế nhưng mô hình được áp dụng trên địa bàn tỉnh An Giang lại rất ít và còn

tồn tại những mặt hạn chế nhất định Đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình

xử lý arsen trong nước ngầm bằng phương pháp keo tụ – kết tủa kết hợp với phương pháp hấp phụ” sẽ giúp người dân có thể tự xây dựng mô hình xử lý

arsen trong nước ngầm ở quy mô hộ gia đình, vừa có thể xử lý arsen, đồng thời làm giảm hàm lượng sắt trong nước ngầm, giảm nguy cơ mắc các bệnh

do bị nhiễm arsen gây ra

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về nước ngầm

2.1.1 Vai trò của nước ngầm đối với đời sống

Mặc dù nước mặt có trữ lượng lớn nhưng không ổn định, thay đổi theo mùa, dễ bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài Tuy nhiên vì trữ lượng lớn, dễ khai thác nên nguồn nước mặt trên trái đất đang bị khai thác và sử dụng quá mức, ngày càng bị hao hụt về số lượng, suy giảm về chất lượng Do đó, hiện nay nước ngầm đóng vai trò hết sức quan trọng

và cần thiết đối với cuộc sống của con người Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người Hàm lượng chất rắn lơ lửng, rong tảo là rất thấp, gần như là không có, các chỉ tiêu vi sinh vật gây bệnh trong nước ngầm cũng tốt hơn nước mặt

Nước ngầm thường được sử dụng phục vụ cho sinh hoạt, các ngành công nghiệp, y học, du lịch.v.v… Đối với một số vùng ven biển, nhiễm phèn, khô hạn nước ngầm còn được dùng trong sản xuất hoa màu và nuôi trồng thủy sản Bên cạnh đó nước ngầm còn đóng góp rất lớn cho dòng chảy của nhiều con sông

2.1.2 Thành phần và đặc điểm của nước ngầm

Trong nước ngầm thường tồn tại các anion và cation, chủ yếu là HCO3-, SO42-, Cl-, Na+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Fe2+, Mn2+,… Thành phần chất lượng nước ngầm phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước Người

ta chia nước ngầm ra làm hai loại khác nhau:

Nước ngầm hiếu khí (có oxi): thông thường chất lượng nước

có chứa oxi thì tương đối tốt Đôi khi không cần xử lý mà vẫn có thể cấp trực tiếp cho người dân tiêu thụ Trong nước chứa oxi sẽ không có các chất khử như H2S, CH4, NH4+,…

Nước ngầm yếm khí (không có oxi): trong quá trình nước thấm qua các tầng đất đá, oxi bị tiêu thụ Khi lượng oxi hòa tan trong nước bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+

, Mn2+ sẽ được tạo thành Mặt khác các quá trình khử NO3- => NH4+; SO42- =>

H2S; CO2 => CH4 cũng xảy ra (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2006)

2.1.3 Nguồn gốc và nguyên nhân gây ô nhiễm nước ngầm

Nguồn tự nhiên: điều kiện địa chất, lũ lụt, hạn hán, xói mòn, rửa

trôi các hợp chất hữu cơ, vô cơ từ quá trình phân hủy xác động thực vật

và theo nước mưa thấm vào nước ngầm

Nguồn nhân tạo: nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước ngầm

 Tốc độ phát triển kinh tế cùng với sự bùng nổ dân số kéo theo nhu cầu sử dụng nước ngày càng gia tăng Tình trạng khai thác nước ngầm quá mức và bừa bãi không theo qui định sẽ làm suy giảm về số lượng, suy thoái về chất lượng nước

 Nước thải từ các khu công nghiệp, khu chế xuất, khu chăn nuôi, bệnh viện, trường học, khu dân cư Nước rỉ từ các bãi rác

 Dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc bảo vệ thực vật, phân bón hóa học,… từ các cánh đồng

 Khai thác rừng bừa bãi

2.1.4 Hiện trạng sử dụng nước ngầm trên địa bàn tỉnh An Giang

Theo số liệu từ Trung tâm Kỹ thuật Tài nguyên và Môi trường – Sở

Tài nguyên và Môi trường tỉnh An Giang (năm 2007) cung cấp, toàn tỉnh

có 7133 giếng, trong đó chỉ có 6466 giếng đang sử dụng, 667 giếng còn lại đang trong tình trạng không được sử dụng và bị hư hỏng, chiếm tỷ lệ

là 9,35% Các địa phương có số lượng giếng nhiều nhất của tỉnh là các huyện Tri Tôn, Chợ Mới và Tân Châu,… Bên cạnh đó, sự phân bố số lượng giếng cho các mục đích sử dụng khác nhau trên địa bàn tỉnh cũng

có sự chênh lệch rất lớn

Biểu đồ 2.1: Biểu đồ hình tròn thể hiện sự phân bố số lượng giếng không đồng

đều giữa các mục đích sử dụng

Trên địa bàn tỉnh An Giang, số lượng giếng phục vụ cho các mục đích khác nhau có sự chênh lệch rất lớn Lượng giếng phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt chiếm tỷ lệ cao nhất 92,12% Trong khi số lượng giếng phục vụ cho sản xuất nông nghiệp chỉ chiếm 7,3% và số giếng còn lại chiếm tỷ lệ chưa tới 0,6% (một tỷ lệ rất thấp so với hai tỷ lệ trên) nhưng vừa phục vụ cho các ngành công nghiệp (0,26%) vừa cung cấp nước cho các trạm bơm cấp nước của tỉnh (0,32%)

2.2 Tổng quan về arsen

2.2.1 Arsen là gì?

Arsen (hay còn gọi là thạch tín) là một nguyên tố rất phổ biến trong

tự nhiên (ký hiệu là As, nguyên tử khối bằng 33 và khối lượng nguyên tử

≈ 74,92 Đ.V.C), tồn tại dưới nhiều dạng hợp chất khác nhau (cả vô cơ

lẫn hữu cơ) Thông thường As hay tồn tại dưới dạng các hợp chất arsenua và arsenate Trong nước ngầm As tồn tại ở hai dạng arsenite (có mức oxi hóa +3) và arsenate (có mức oxi hóa +5), nhưng trong điều kiện

kỵ khí arsenite chiếm ưu thế hơn Qua các tài liệu nghiên cứu cho thấy độc tính của As phụ thuộc rất lớn vào hình thức tồn tại, trạng thái oxi hóa

và độ tan (hay hàm lượng) của nó trong môi trường, cụ thể là các dạng hợp chất As hóa trị III có độc tính cao hơn dạng hóa trị V

As tinh khiết được xem là không độc, nhưng trong điều kiện bình thường As không bao giờ ở trạng thái tinh khiết vì khi tiếp xúc với không

khí một phần As bị oxi hóa thành oxit rất độc (Hoàng Văn Bính, 2007)

2.2.2 Nguồn gốc và sự phân bố của As trong môi trường

Trong thiên nhiên As có thể tồn tại trong môi trường đất, nước, không khí, sinh học và liên quan chặt chẽ tới các quá trình địa chất, địa hóa, sinh địa hóa Trong lớp vỏ trái đất, As chiếm khoảng 0,001%, tồn tại chủ yếu dưới dạng các loại quặng như: quặng arsenite của Cu, Pb, Ag hoặc quặng sulfur: As2S2; As2S; As2S3, Người ta còn tìm thấy sự có mặt của As trong đá, quặng; đất, vỏ phong hóa; trầm tích bời rời; không khí, nước và trong cơ thể sinh vật; đặc biệt là trong than đá với hàm lượng cao Hợp chất As hiện hữu ở nhiều dạng khác nhau xung quanh chúng ta, từ dạng tích tụ trong đất, bùn hay phát tán trong nước ngầm cho tới dạng chuyển hóa trong cá, tôm, cua, ốc, nghêu,… Trong khí quyển, As có thể tồn tại ở cả hai dạng vô cơ và hữu cơ Ngoài ra As còn hiện diện trong rau quả, thực phẩm, trong cơ thể động vật và con người

với nồng độ rất nhỏ, gọi là vi lượng (Huỳnh Tiến Đạt, 2008)

Nguồn nước dưới đất ở những vùng trầm tích núi lửa, một số khu vực quặng hóa có nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu, mỏ than,… thường rất giàu As

2.2.3 Lợi ích của As trong cuộc sống

As là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển của con người và sinh vật, giúp trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin

Với một liều lượng nhỏ nhất định As được dùng làm thuốc kích thích ăn ngon, kích thích sự trao đổi chất; As còn là thành phần trong một số thuốc điều trị các căn bệnh về da như: chàm khô, vẫy nến

Trong ngành công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, arsenite axit (một hợp chất của As) đã được ứng dụng nhằm làm tăng nhanh quá trình tăng trưởng và phát triển của gà con, đồng thời phòng bệnh coccidiosis (bệnh trùng cầu)

As cũng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: sản xuất thuốc trừ sâu, thủy tinh, thuốc rụng lá, thuốc pháo, mạ đồng

2.2.4 Tác hại của As đối với con người và các loài động thực vật

As là một chất độc tích lũy, có độc tính gấp 4 lần thuỷ ngân Vì không gây mùi vị khó chịu ngay cả khi có mặt trong nước với liều lượng

đủ làm chết người, nên không thể phát hiện được As trong nước ngầm bằng cảm quan Sau khi được cơ thể hấp thụ, As sẽ vào gan, thận, tim, xương, lông, tóc, da, móng tay, não,… As làm thay đổi cân bằng hệ thống enzyme của cơ thể, tác động xấu đến hệ tuần hoàn, hệ thần kinh, thông qua ba tác dụng hóa sinh là làm đông tụ protein, tạo phức với coenzyme và phá huỷ quá trình phosphate hoá tạo ATP (Adenosine Triphosphate) As (V) cũng giống như phosphate, dễ kết tủa với các kim loại Khi vào cơ thể As (V) sẽ thế chỗ của phosphate trong chuỗi phản ứng tạo ATP do đó ATP sẽ không được hình thành

Hình 2.1: Sự hình thành ATP

Theo Vũ Trọng Thiện và Đặng Ngọc Chánh (2010), khi As được

hấp thụ vào cơ thể nó sẽ làm các men (enzyme) có chứa nhóm chức -SH

(sulfhydryl) ngừng hoạt động bằng cách gắn nguyên tố As vào Khi uống

As vào cơ thể thì nó được hấp thụ rất nhanh nhưng lại thải trừ rất chậm

và không hoàn toàn, một phần được tích tụ tại các bộ phận của cơ thể Phản ứng xảy ra như sau:

Hình 2.2: As (III) phản ứng với nhóm -SH

Một số nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ, Anh, Trung Quốc chỉ

ra rằng nhiễm độc As qua đường hô hấp và tiêu hóa có thể dẫn đến các thương tổn như tăng hoặc giảm màu của da, tăng sừng hóa, ung thư da và

phổi, ung thư bàng quang, ung thư thận, ung thư mũi, ung thư ruột (Vũ Trọng Thiện và Đặng Ngọc Chánh, 2010) Ngoài ra, As còn có thể gây

các bệnh: to chướng gan, bệnh đái đường, bệnh xơ gan Khi cơ thể bị nhiễm độc As, tùy theo liều lượng, thời gian tiếp xúc và hóa trị của các hợp chất As sẽ dẫn đến nhiễm độc cấp tính hay nhiễm độc mãn tính với những triệu chứng biểu hiện cũng như mức độ tác hại khác nhau

Nhiễm độc cấp tính

Nếu một lượng lớn As đi vào cơ thể, nó sẽ gây tổn thương hệ tiêu hóa, thận, gan, da, niêm mạc và hệ thần kinh trung ương

Qua đường tiêu hóa: Khi nuốt anhydrit arsenite hoặc chì arsenate

vào cơ thể sẽ biểu hiện các triệu chứng nhiễm độc như rối loạn tiêu hoá (đau bụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều và cơ thể bị mất nước) Tương tự như bệnh tả, nó có thể dẫn tới tử vong trong vòng từ 12 – 18 giờ

Một biểu hiện đặc trưng khi bị nhiễm độc As dạng hợp chất vô cơ qua đường miệng là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng trên da

Qua đường hô hấp: hít thở không khí có bụi, khói hoặc hơi chứa

 Xanh tím mặt do tác dụng gây liệt của As đối với các mao mạch

 Gây tổn thương ở mắt như viêm da mí mắt, viêm kết mạc

Nhiễm độc mãn tính

Nhiễm độc As mãn tính có thể gây ra các tác dụng toàn thân và cục

bộ Sau một thời gian dài nhiễm As sẽ có những biểu hiện của các triệu chứng nhiễm độc As mãn tính như sau:

As có thể tác động đến cơ tim (biểu hiện ở các rối loạn điện tim)

Ngoài các tác dụng toàn thân nói trên, As còn gây ra tác dụng cục

bộ trên cơ thể người tiếp xúc do tính chất ăn da của các hợp chất As, với các triệu chứng như loét da gây đau đớn ở những vị trí tiếp xúc trong thời gian dài với As hoặc loét niêm mạc mũi, có thể dẫn tới thủng vách ngăn mũi

Hình 2.4: Ung thư da trên cánh tay

Ngộ độc As mãn tính diễn ra từ từ, ít nhất là sau 4 – 5 năm dùng nước có nồng độ As vượt quy định sẽ có những biểu hiện như: trên da có các đốm sẫm màu ở đầu chi, niêm mạc lưỡi, bị sừng hoá da, khối u da, xuất hiện các mảng đen trên da, sạm da, một phần da bị đỏ ửng, sau đó chảy nước, lở loét; tóc rụng; phù mí mắt, viêm kết mạc; đau cơ âm ỉ; đau tai; đau răng; hồng cầu và bạch cầu bị giảm, mạch máu bị thương tổn, rối loạn nhịp tim; trí nhớ giảm; buồn nôn, thỉnh thoảng rối loạn tiêu hoá nhẹ; sụt cân, mệt mỏi, suy nhược toàn thân; đôi khi xơ gan, có khối u ở gan, phổi; gây ung thư As cũng ảnh hưởng đến thai nhi, làm tăng nguy cơ sẩy thai Biểu hiện ban đầu tập trung trên da, nên thường bị nhầm với các

bệnh da liễu thông thường Khi uống nước bị nhiễm As trong vòng 5 –

10 năm, hóa chất độc hại này sẽ gây các bệnh: ung thư da, ung thư bàng quang, ung thư phổi, ung thư thận, ung thư gan, nguy hại đến hệ thống thần kinh, hại đến máu và tim, khuyết tật bẩm sinh, rối loạn khả năng sinh sản, ảnh hưởng đến sự phát triển trí não của trẻ em

Ngộ độc As có thể là cấp tính hay mãn tính nhưng thường chủ yếu

là ngộ độc mãn tính do dùng nước Vì vậy, để phòng tránh sự nhiễm độc này cần có các biện pháp chủ động và ngăn chặn thích hợp

Cũng như con người, các loài động vật sau khi ăn hoặc uống phải lượng As vô cơ từ 0,3 đến 30 mg sẽ xảy ra nhiễm độc cấp tính trong vòng 30 đến 60 phút, thường dẫn đến tử vong sau vài giờ hoặc vài ngày Khi sử dụng lâu dài nguồn nước bị nhiễm As sẽ có khả năng bị nhiễm độc As mãn tính, gây tác hại đến chức năng của nhiều cơ quan: thần kinh, tim mạch, tiêu hóa, sinh sản; nghiêm trọng hơn là ung thư bàng quang, gan, thận, ruột và làm rối loạn gen

Đối với thực vật: As ngăn cản quá trình trao đổi chất, làm thay đổi màu lá, chết lá, giảm năng suất cây trồng Đối với cây trồng mới gieo hạt

bị nhiễm As khiến cho hạt giống ngừng phát triển

Đối với thức ăn: làm hư hỏng thức ăn, làm giảm giá trị dinh dưỡng của thực phẩm

không tan thành As3+ tan trong nước

Hoạt động của con người:

Việc khoan giếng nước hoặc khai thác mỏ không hợp lí có thể làm cho As tích tụ trong đất hoà tan vào trong nước ngầm

Đốt nhiên liệu hoá thạch, đốt rác, nấu chảy quặng, luyện kim, khai thác và chế biến quặng nhất là quặng sulfur; sản xuất và sử

dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, phân hoá học, chất diệt côn trùng,

vũ khí hoá học,…

Hình 2.5: Các con đường thâm nhập của As

2.3 Hiện trạng nguồn nước ngầm bị nhiễm As

2.3.1 Tại Việt Nam

Theo điều tra của UNICEF, As đã có mặt trong các lớp đất, đá,

trầm tích được hình thành từ hàng nghìn năm trước tại Việt Nam với

nồng độ khác nhau Vì vậy mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có nguy

Sản xuất và sử dụng phân bón,

hóa chất trong nông nghiệp

Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Ô NHIỄM ĐẤT

Ô NHIỄM NƯỚC

Khai thác và chế biến khoáng

sản đa kim, than và dầu mỏ

Luyện kim và cơ khí

Nhiệt điện và đốt than, dầu

trong công nghiệp

Giao thông vận tải

CON NGƯỜI

Ô NHIỄM THỰC PHẨM

cơ nhiễm As Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng khoan có nồng độ As rất cao, thậm chí gấp hơn 20 lần so với QCVN 09:2008/BTNMT, làm ảnh hưởng

xấu đến sức khỏe và đe dọa tính mạng của cộng đồng (Huỳnh Tiến Đạt, 2008)

Tại Đồng bằng Sông Hồng, những vùng bị nhiễm As nghiêm trọng

là Hà Nội, Hà Nam, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình, Hải Dương Ở Đồng bằng Sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan

bị nhiễm As với nồng độ cao tại hai tỉnh An Giang và Đồng Tháp

2.3.2 Tình hình nhiễm As ở Đồng bằng sông Cửu Long

Đồng bằng sông Cửu Long có cấu tạo địa tầng của một vùng châu thổ bồi tích cửa sông điển hình nên nguy cơ ô nhiễm As là rất cao Qua một nghiên cứu của Viện Vệ sinh – Y tế công cộng từ tháng 5/2010 (Bộ

Y tế) về khảo sát, đánh giá hiện trạng ô nhiễm As trong nước ngầm tại bốn tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long: Long An, Đồng Tháp, Kiên Giang

và An Giang cho thấy, nhiều khu vực tại bốn tỉnh này có hàm lượng As trong nước ngầm khá cao, đe dọa sức khỏe của người dân

Tại Long An, 56% trên tổng số mẫu nước ngầm được khảo sát là 4.876 mẫu, có nồng độ As vượt quá mức cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT

Tại Đồng Tháp, tình hình cũng đang được báo động, khi có trên 67% số mẫu trong tổng số 2.960 mẫu nước ngầm được khảo sát đã phát hiện nhiễm As

Trên 51% số mẫu thử trong tổng số hơn 3.000 mẫu được khảo sát tại Kiên Giang đã phát hiện bị nhiễm As

Tổng số mẫu khảo sát tại tỉnh An Giang là 2.699 mẫu với tỉ lệ nhiễm As là 20,18%, tập trung nhiều tại một số huyện như: An Phú, Phú Tân, Tân Châu và Chợ Mới Hàm lượng As trong nước ngầm tại các huyện này khi phân tích đều từ 100 ppb trở lên, được tìm thấy ở các giếng tầng nông, có độ sâu dưới 60 m và được dùng cho sinh hoạt phổ biến trong người dân

2.3.3 Tình hình nhiễm As trên địa bàn tỉnh An Giang

Qua kết quả phân tích nước ngầm vào tháng 4/2008 (do Trung tâm Quan trắc và Kỹ thuật Tài nguyên – Môi trường – Sở Tài nguyên và Môi

trường tỉnh An Giang cung cấp) nhận thấy nồng độ As tại các điểm lấy mẫu dao động từ 0,0017 – 1,1 mg/l Qua 32 điểm lấy mẫu thì có 7 điểm

có nồng độ As vượt giới hạn cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT (0,05 mg/l), chiếm tỷ lệ 22%, điển hình là xã Quốc Thái, xã Phước Hưng huyện An Phú; thị trấn Phú Mỹ, thị trấn Chợ Vàm, xã Phú An huyện Phú Tân

Theo trung tâm Nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn An Giang, nguyên nhân nhiễm As tại tỉnh An Giang mặc dù chưa rõ, nhưng đây là các huyện nằm giữa hai dòng sông Tiền và sông Hậu nên nhiều khả năng bị nhiễm As từ thượng nguồn

2.4 Lý thuyết về một số phương pháp xử lý As

2.4.1 Phương pháp keo tụ – kết tủa

Đây là phương pháp đơn giản, thường được sử dụng nhất

Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn được gọi là hiện tượng keo tụ

Nguyên tắc công nghệ: sử dụng tác động lý học (làm giàn mưa), hóa chất chuyển đổi (oxi hóa) As từ dạng As (III) sang dạng As (V) và được tách ra bằng bể lắng hay bể lọc, sơ đồ phản ứng xảy ra như sau:

Fe (II) + oxi không khí => Fe (III)

Fe (III) + As (III) => Fe (II) + As (V)

Fe (II) + oxi không khí => Fe (III)

Fe (III) + As (V) => FeAsO4Bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng bằng giàn mưa (hoặc dùng các chất tạo keo kết tủa nhờ các phản ứng hóa học với các ion trong dung dịch sắt như: vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2, sulfate nhôm hay clorua sắt) để oxi hóa sắt, mangan, tạo thành hydroxit sắt kết tủa và hydroxit mangan kết tủa Song song đó, As (III) cũng được oxi hóa thành As (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ hydroxit sắt hay hydroxit mangan tạo thành và lắng xuống đáy bể, hoặc hấp phụ và bị giữ lại trên bề mặt hạt cát trong bể lọc Công nghệ này chủ yếu dùng để xử lý sắt và mangan, đồng thời cho phép loại

bỏ 50 – 80% As có trong mạch nước ngầm Đối với các hộ gia đình sử

dụng giếng khoan đơn lẻ, có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm) cho phép loại bỏ tới 80% As trong nước ngầm cùng với loại

bỏ sắt và mangan (Huỳnh Tiến Đạt, 2008)

cách giải hấp phụ (Phạm Nguyên Chương và cộng sự, 2002)

Nguyên tắc công nghệ: nước ngầm nhiễm As được cho qua lớp vật liệu lọc có tính năng hấp thụ As Trong thực tế thường sử dụng kết hợp với công nghệ đồng kết tủa cho hiệu quả rất cao (>90%)

Vật liệu lọc: nhôm hoạt tính, than hoạt tính, hạt đồng – kẽm, hạt sắt (hydroxit, oxit), cát bọc thuốc tím (KMnO4); hematile, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; mùn cưa; bột giấy,

Đặc trưng rõ rệt nhất của chất hấp phụ so với các chất rắn khác là cấu trúc xốp và diện tích bề mặt của nó Do vậy, người ta thường chọn những chất hấp phụ có cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn Diện tích

bề mặt của chất hấp phụ gồm có hai phần: diện tích trong và diện tích ngoài của hạt hấp phụ Diện tích ngoài có trị số rất nhỏ, nên mức độ đóng góp của nó vào tổng diện tích là không đáng kể Vì thế, quá trình hấp phụ thường diễn ra bên trong lòng hạt chất hấp phụ Để tiếp cận đến trung tâm hấp phụ ở bên trong, các chất hấp phụ cần phải được dịch chuyển từ ngoài vào trong và khi giải hấp phụ sẽ dịch chuyển ngược lại

từ trong ra ngoài Quá trình dịch chuyển này được gọi là quá trình dịch chuyển khối Quá trình hấp phụ diễn ra theo nhiều giai đoạn nối tiếp nhau: chuyển khối ngoài, chuyển khối qua màng, chuyển khối bên trong

và quá trình hấp phụ thật sự, gắn chất bị hấp phụ lên bề mặt chất hấp phụ

2.4.3 Phương pháp trao đổi ion

Tương tự như quá trình hấp thụ, tuy nhiên lớp vật liệu lọc là những hạt nhựa có khả năng trao đổi, thu giữ các ion As trên bề mặt hạt nhựa Sau thời gian, các hạt nhựa được hoàn nguyên để đảm bảo khả năng xử lý

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 Có thể loại bỏ các ion arsenate (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa As Nồng độ As sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb

Những vật liệu này có tác dụng cho nước đi qua và giữ các chất bẩn như: bùn, sét, các hạt thể keo, các hạt nhỏ từ các chất hữu cơ trong tự nhiên, các hợp chất kết tủa của Fe và Mn, bông tụ keo, vi khuẩn, Đây là giải pháp đơn giản nhất và hoàn toàn có thể áp dụng trong mỗi gia đình Bể lọc trong các gia đình nông thôn Việt Nam thông thường được thiết kế gồm hai bể, bể trên chứa vật liệu lọc như cát có sẵn ở địa phương, bể dưới dùng để chứa nước đã lọc Khi nước ngầm được bơm lên bể lọc và chảy qua tầng cát, As sẽ được cộng kết với Fe(OH)3 và được giữ lại trên

Ngoài ra, hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu những công nghệ khác

để xử lý As như: quá trình điện phân để loại bỏ As, dùng thực vật để hút As trong nước (một số loài thực vật như thủy trúc (Cyperus Alternifolius hay cây Thalia Dealbata) hoặc khoai nước (Colocasia Esculenta) cũng có khả năng loại bỏ As khỏi nước)

2.5 Một số hệ thống xử lý asren trong nước ngầm

2.5.1 Hệ thống xử lý arsen trong nước ngầm quy mô hộ gia đình

(Trung tâm Ứng dụng tiến bộ Khoa học và Công nghệ An Giang) :

Vật liệu:

Nước bị nhiễm As

Vật liệu lọc As sử dụng trong cột lọc do công ty Môi trường Đức Việt sản xuất theo công nghệ của Cộng hòa Liên bang Đức

Bơm, Ejector thu khí, bồn chứa, chân đỡ, vật tư lắp đặt

Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống xử lý As trong nước ngầm

6 Nước sau xử lý dùng cho

ăn uống As ≤ 10 ppb (lưu lượng 5 lít/ giờ)

7 Nước sau xử lý dùng cho sinh hoạt As ≤ 50 ppb (lưu lượng 100 lít/ giờ)

Kết quả:

Hệ thống có khả năng xử lý nguồn nước ngầm bị nhiễm As, với hàm lượng As đầu vào ≤ 350 ppb và cho ra hai nguồn nước:

Nguồn nước phục vụ cho ăn uống có hàm lượng As sau

xử lý ≤ 10 ppb và lưu lượng 5 lít/ giờ (nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT, nồng độ của As = 50ppb)

Nguồn nước dùng cho sinh hoạt có hàm lượng As sau xử

lý ≤ 50 ppb và lưu lượng 100 lít/ giờ (nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 09:2008/BTNMT, nồng độ của As = 50ppb)

Khai thác hiệu quả tính năng của các phương pháp xử lý nước hiện có, phù hợp với nguồn nước ngầm và vật liệu hiện

có của tỉnh

Công tác vệ sinh, bảo trì, lắp đặt thiết bị được thực hiện

dễ dàng, không cần chuyên môn Sau khi xử lý khoảng 100

m3 nước uống ta có thể thay đổi cột lọc mới

Trung tâm đã triển khai sản xuất và lắp đặt trên 70 hệ thống lọc cho hai huyện Phú Tân và An Phú Qua quá trình theo dõi các hệ thống này hoạt động khá ổn định, chất lượng nước của hai đầu ra được kiểm tra nhanh bằng bộ Test kit của hãng MERK – Cộng hòa Liên bang Đức sản xuất, cho thấy hàm lượng As sau xử lý đều thấp hơn mức đã đề ra ban đầu

 Hạn chế:

Lượng nước đầu ra chảy chậm, nên không đáp ứng được nhu cầu sử dụng hàng ngày của người dân

Đề xuất cải tiến mô hình xử lý:

Gắn thêm một cột lọc khác (khoảng cách giữa các hạt vật liệu lọc từ 0,5 – 5 µm) phía trước cột lọc do công ty Môi trường Việt Đức sản xuất theo công nghệ của Cộng hòa Liên bang Đức Và gắn thêm một máy bơm cao áp để bơm nước từ bồn chứa sang hai cột lọc Như vậy vừa có thể tăng hiệu suất xử lý, vừa có thể đáp ứng được nguồn nước đầu ra

2.5.2 Mô hình xử lý arsen bằng cách lọc trên giá thể cát, đá,

than hoạt tính được thực hiện trong phòng thí nghiệm tại trường Đại học An Giang (Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2010):

Vật liệu bao gồm:

Nước ngầm bị nhiễm As

Bồn chứa, van, chân đỡ, cột lọc

Chi phí thấp

Có thể ứng dụng với quy mô hộ gia đình tại các khu vực

có nước ngầm bị nhiễm As

xử lý như thế nào nếu như áp dụng mô hình ở những khu vực

bị nhiễm As nặng

Đề xuất cải tiến mô hình xử lý:

Bơm nước lên một bồn chứa, ở đây ta sẽ bổ sung thêm một số tác nhân khác (như phèn sắt, sục khí,…) để giúp cho phản ứng giữa ion Fe2+ và As xảy ra triệt để hơn Sau đó để lắng rồi mới tiếp tục cho qua bể lọc

Do tính chất và khả năng hấp phụ tạo thành các hợp chất ít tan của

As (V) cao hơn As (III) nên trong hầu hết các phương pháp xử lý thông thường, người ta phải chuyển As từ dạng hóa trị +3 sang As hóa trị +5,

để dễ dàng xử lý cũng như loại bỏ As ra khỏi nước

Vì Fe là thành phần có mặt thường xuyên trong nước ngầm Tùy theo cấu tạo địa tầng của mỗi khu vực, thậm chí có nơi hàm lượng Fe trong nước cao gấp 5 – 6 lần QCVN Chính vì thế chúng ta có thể tận dụng lượng Fe có sẵn trong nước ngầm để tách và loại bỏ As Quá trình sục khí sẽ làm oxi hóa Fe và As tạo thành hợp chất kết tủa FeAsO4,

Fe(OH)3 Các ion Fe (II) sẽ kết hợp với oxi tạo ra Fe (III) kết tủa Sau đó

Fe (III) kết hợp với As (III) tạo thành As (V) và As (V) lại phản ứng với

Fe (III) tạo thành FeAsO4 theo sơ đồ phản ứng sau:

Fe (II) + oxi không khí => Fe (III)

Fe (III) + As (III) => Fe (II) + As (V)

Fe (II) + oxi không khí => Fe (III)

Fe (III) + As (V) => FeAsO4

2.6.2 Vật liệu zeolite

Hiện nay có hơn 150 loại zeolite tổng hợp và khoảng 48 loại có sẵn trong tự nhiên đã được biết đến Zeolite là tên gọi của một nhóm khoáng chất alumosilicat cấu trúc tinh thể Với thành phần hỗn hợp chủ yếu gồm nhôm oxit và silic oxit sắp xếp theo một trật tự nào đó với một tỷ lệ nhất định, được biểu diễn dưới dạng chung như sau:

Rn2+O.Al2O3.nSiO2.mH2O Trong đó:

Rn2+: là các cation hóa trị 1 và 2 như: K+, Na+, Ag+ và Ca2+,

Ba2+, Sn2+

n: Tỉ số mol SiO2/Al2O3 m: Số phân tử nước trong đơn vị cơ sở (khoảng từ 1 ÷ 12) Các tinh thể zeolite có mạng không gian xốp Trong mạng tinh thể alumosilicat chứa các tứ diện SiO4 và (AlO4)-1 (các hóa trị âm ở đây được bù trừ bởi các cation Rn2+) nối với nhau thông qua nguyên tử oxi Các tứ diện đó (thường bao gồm 24 khối) sắp xếp theo qui luật trong không gian tạo thành khối bát diện bậc 2, được gọi là các sodalit Tùy thuộc vào cách ghép khác nhau của các sodalit mà thu được các loại zeolite khác nhau như zeolite A, zeolite X, zeolite Y, faujasit, mordenit,…

Các tính chất cơ bản của zeolite

Tính chất trao đổi cation: đây là một trong những tính chất

quan trọng của zeolite

Do cấu trúc không gian ba chiều bền vững nên khi trao đổi ion, khung zeolite cũng không bị thay đổi