Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 tại xã đồng tiến huyện phổ yên tỉnh thái nguyên

Trong bối cảnh nước ta đang trong quá trình công ngiệp hóa hiên đại hóa đất nước, phát triển kinh tế về tất cả các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, giao thông… kéo theo hàng l

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NHÂM THỊ PHƯƠNG GIANG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG MÔ HÌNH NL1 TẠI XÃ ĐỒNG TIẾN, HUYỆN PHỔ YÊN, TỈNH THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Hê ̣ đào ta ̣o : Chính quy Chuyên nghành : Khoa học môi trường Khoa : Môi trươ ̀ ng

Khóa : 2011 - 2015

Thái Nguyên, năm 2015

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NHÂM THI PHƯƠNG GIANG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP XỬ LÝ ASEN TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG MÔ HÌNH NL1 TẠI XÃ ĐỒNG TIẾN, HUYỆN PHỔ YÊN, TỈNH THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

Hê ̣ đào ta ̣o : Chính quy Chuyên nghành : Khoa học môi trường Khoa : Môi trươ ̀ ng

Khóa : 2011 - 2015 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Thị Huệ

Khoa Môi trường - Trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên

Thái Nguyên, năm 2015

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo ThS Nguyễn Thị Huệ đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình truyền đạt những kiến thức trong quá trình thực tập, chỉ bảo những kinh nghiệm quý báu để em hoàn thành tốt đề tài Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các bác, anh chị làm việc tại phòng tài nguyên môi trường huyện Phổ Yên cùng bạn bè, gia đình người thân đã động viên khích lệ em trong quá trình học tập nghiên cứu hoàn thành tốt bản báo cáo tốt nghiệp này

Do thời gian và trình độ học vấn của bản thân còn nhiều hạn chế, bước đầu mới làm quen với thực tế công việc nên Khóa luận của em không tránh được thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý chân thành của thầy cô giáo cùng các bạn để Khóa luận của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014

Sinh viên

Nhâm Thị Phương Giang

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Tổng hợp những kết quả xét nghiệm asen do UNICEF 19

hỗ trợ năm 2004 19

Bảng 4.1 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 34

trong thời gian lọc 1h 34

Bảng 4.2 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 34

Trong thời gian 3h 34

Bảng 4.3 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 35

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Sơ đồ vòng tuần hoàn của asen trong môi trường 12 Hình 2.2 Bản đồ ô nhiễm asen mức độ ô nhiễm theo màu sắc 18 Hình 4.1 Biểu đồ thể hiện nồng độ asen trong nước ngầm 31 Hình 4.2 Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý asen bằng mô hình NL1 trong các thời gian khác nhau 35 Hình 4.3 Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 qua các thời gian khác nhau 36

MỤC LỤC

Trang

Phần 1 MỞ ĐẦU 1

1.Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

1.3 Yêu cầu của đề tài 3

1.4 Ý nghĩa của đề tài 3

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập 3

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn 3

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở khoa học về đề tài 4

2.1.1.Nước ngầm là gì? 4

2.1.2 Cơ sở lý luận 4

2.1.3 Cơ sở pháp lý 5

2.2 Giới thiệu về Asen 6

2.2.1.Nguồn gốc của Asen 6

2.3 Cơ sở thực tiễn 17

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 24

3.2 Địa điểm và thời gian tiến hành 24

3.3 Nội dung nghiên cứu 24

3.3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội tại huyện Phổ Yên, tỉnh Thái Nguyên 24

3.3.2 Đánh giá hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm tại huyện Phổ Yên, tỉnh Thái Nguyên 24

3.3.3 Nghiên cứu hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 24

3.3.4 Đánh giá ưu nhược điểm của mô hình NL1 trong xử lý asen 24

3.4 Phương pháp nghiên cứu 24

3.4.2.Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa 24

Phần 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 28

4.1 Điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội tại huyện vùng nghiên cứu 28

4.1.1.Điều kiện tự nhiên 28

4.2 Đánh giá hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm tại khu vực nghiên cứu 31

4.3 Nghiên cứu hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 33

4.3.2 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 trong thời gian 3h 34

4.3.3 Hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hính NL1 trong thời gian 5h 34

4.3.4 Đánh giá khả năng xử lý asen trong nước ngầm trong các khoảng thời gian khác nhau 35

4.4 Đánh giá ưu nhược điểm của bể lọc chậm trong xử lý asen 37

4.4.1 Ưu điểm 37

4.4.2 Nhược điểm 38

Phần 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 39

5.1 Kết luận 39

5.2 Đề nghị 39

lý hay hiểu biết đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước và ở nhiều lúc, nhiều nơi

đã trở nên trầm trọng

Trong bối cảnh nước ta đang trong quá trình công ngiệp hóa hiên đại hóa đất nước, phát triển kinh tế về tất cả các lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, giao thông… kéo theo hàng loạt các vấn đề về môi trường ô nhiễm đất, ô nhiễm nước, ô nhiễm không khí đang diễn ra hết sức phức tạp không chỉ riêng đối với Việt Nam mà còn là tình trạng chung của các nước đang phát triển với Công nghệ kém phát triển ý thức của con người đã và đang đe dọa đến chinh sức khỏe của chúng ta Tỷ lệ mắc các bệnh nguy hiểm ngày càng tăng cao tỷ lệ thuận với tình trạng ô nhiêm môi trường Trong đó đáng lo ngại nhất là ô nhiễm môi trường nước Môi trường nước hiện nay đang trong tình trạng báo động trên thế giới và riêng Việt Nam vấn đề ô nhiễm nước đã và đang bị ô nhiễm cực kỳ nghiêm trọng

Việt Nam có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng Nước ngầm thường tồn tại ở các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá được tạo thành trong giai đoạn trầm tích hoặc do sự thẩm thấu, thấm của nguồn nước mặt nước mưa nước ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài met, vài chục mét, vài trăm mét Đối với hệ thống cấp nước cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn là nguồn

nước được ưa thích Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiểm là lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa Nguồn nước it chịu ảnh hưởng bởi các tác động của con người Chất lượng nước ngầm thường tốt hơn chất lượng nước mặt rất nhiều Trong nước ngầm dường như không có các hạt keo, hạt lơ lửng

và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp

Nhưng ngày nay tình trạng ô nhiềm nguồn và suy thoái nước ngầm đang diễn

ra rất phổ biến tại khu vực đô thị và các thành phố lớn trên thế giới Không ít nguồn nước ngầm đã bị ô nhiễm do tác động của con người đã bị ô nhiểm bởi các chất hữu

cơ khó phân hủy, vi khuẩn, nhất là các chất độc hại nhiểm kim loại nặng (Pb, As,

Fe, Cd, Mn, ) gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng tới sức khỏe con người Đặc biệt là Asen, 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 Khi bị nhiễm độc Asen thì sẽ gây ra sự thay đổi sắc tố 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 thậm chí có thể tử vong Đáng lo ngại là hiện nay chưa có biện pháp hiệu quả để điều trị những căn bệnh nguy hiểm này Hơn nữa, phần lớn dân số ở nông thôn đang sử dụng trực tiếp nước ngầm (giếng khoan) để phục vụ cho sinh hoạt mà không qua xử lý hoặc chỉ được xử lý đơn giản để loại bỏ Asen nếu có

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Môi trường - Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, cũng với sự hướng dẫn của

cô giáo Th.s Nguyễn Thị Huệ, em đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý Asen trong nước ngầm bằng mô hìnhNL1 tại xã Đồng Tiến, huyện Phổ Yên, tỉnh Thái Nguyên ”

1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Khảo sát hiện trạng nhiễm asen trong nước ngầm tại xã Đồng Tiến

- Nghiên cứu, đánh giá được hiệu quả của mô hình sau khi xử lý nước nhiễm As

1.3 Yêu cầu của đề tài

- Lắp đặt hệ thống thí nghiệm xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1

- Lấy mẫu, phân tích hàm lượng asen 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

- Đánh giá hiệu suất xử asen trong nước ngầm trong thời gian lọc khác nhau

- Các kết quả phân tích asen phải được so sánh với QCVN 01:2009/BYT

- Thông tin và số liệu thu thập được phải đảm bảo tính chính xác, trung thực, khách quan

- Giải pháp kiến nghị đưa ra phải thực tế và khả thi

1.4 Ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập

Nghiên cứu đề tài giúp chúng ta thu thập được những kinh nghiệm và kiến thức thực tế, củng cố và hoàn thiện kiến thức đã học, biết cách thực hiện một đề tài nghiên cứu khoa học và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

1.4.2 Ý nghĩa trong thực tiễn

Ứng dụng kiến thức đã học, xây dựng và áp du ̣ng thành công cá c mô hình xử

lý nguồn nước ngầm bị nhiễm asen ph ục vu ̣ cho nhu cầu cấp thiết hiê ̣n nay của các

hô ̣ gia đình

Giúp người dân thấy được hiện trạng môi trường nước đang bị ô nhiễm từ đó nâng cao ý thức, trách nhiệm của mình đối với môi trường xung quanh

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cơ sở khoa học về đề tài

2.1.1.Nước ngầm là gì?

Nươc ngầm là môt loại nước dưới đất, tích lũy trong các lớp đất đá trầm tích

bở rời như cặn, san, cát bột kết, trong cac khe nứt, hang caxtơ ưới bề mặt trái đất có thể khai thác cho hoạt động sống của con người

Theo độ sâu phân bố có thể chia nước ngầm tầng mặt và nước ngầm tầng sâu Đặc điểm chung của nước ngầm là khả năng di chuyển nhanh trong các lớp đất xốp tạo thành dòng chảy ngầm theo địa hình Nước ngầm tầng mặt thường không có lớp ngăn cách với địa hình bề mặt Do vậy, thành phần và mực nước biến đổi nhiều phụ thuộc vào trạng thái của nước mặt Loại nước ngầm tằng mặt rất dễ bị ô nhiễm Nước ngầm tầng sâu thường nằm trong lớp đất đá xốp được ngăn cách bên trên và lớp dưới bởi các lớp không thấm nước.Theo không gian phân bố một nước ngầm tầng sâu thường có 3 vùng chức năng:

2.1.2 Cơ sở lý 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 Kết quả nghiên cứu còn cho thấy asen thường xuất hiện đồng thời với nơi nồng độ sắt cao Nồng độ sắt trong nước ngầm tương đối cao khoảng từ 1 - 30 mg/l Vì vậy, chúng ta hoàn toàn có thể kết hợp xử lý asen cùng với quá trình xử lý sắt bằng mô hình NL1 loại bỏ kim loại di động (Fe2+, Mn2+, Ca2+, As3+ )có trong nước bằng phương pháp tự oxy hóa, lọc và hấp phụ

Sắt trong nước thường tồn tại dưới dạng sắt (II), dưới tác dụng của các vi sinh vật oxy hoá, sắt (II) sẽ chuyển hoá thành sắt (III) kết tủa tạo thành những chất keo bám vào bề mặt các hạt vật liệu lọc 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, em đã nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước ngầm bằng mô hình NL1 kết hợp than hoạt tính với thời gian lọc khác nhau

2.1.3 Cơ sở pháp lý

- Luật Bảo vệ môi trường năm 2014 được Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XIII, kỳ họp thứ 7 thông qua ngày 23/06/2014 và có hiệu lực thi hành từ ngày 01/01/2015

- Luật Tài nguyên nước số: 17/2012/QH13 được Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XIII, kỳ họp thứ 3 thông qua ngày 26/12/2012 và có hiệu lực thi hành từ ngày 01/01/2013

- Nghị định số 117/2007/NĐ - CP ngày 11/07/2007 của Chính Phủ về sản xuất, cung cấp và tiêu thụ nước sạch

- Nghị định số 19/2015/NĐ-CP ngày 14/02/2015 của Chính phủ về việc quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật Bảo vệ môi trường

- Quyết định số 09/2005/QĐ - BYT ngày 11/03/2005 của Bộ trưởng Y tế

về việc ban hành tiêu chuẩn ngành: Tiêu chuẩn vệ sinh nước sạch

- Quyết định 17/2005/TT-BTNMT ngày 12/10/2006 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và môi trường về việc ban hành quy định việc cấp phát hành nghề khoan nước dưới đất

- Quyết định số 22/2006/QĐ - BTNMT ngày 18/12/2006 của Bộ Tài nguyên và môi trường về bắt buộc áp dụng TCVN về môi trường

- Quyết định 13/2007/QĐ-BTNMT ngày 04/09/2007 của Bộ trưởng Bộ tài nguyên môi trường quy định về việc điều tra đánh giá tài nguyên nước dưới đất

- Thông tư 05/2005/TT-BTN-MT ngày 17/03/2005 của Bộ trưởng Bộ tài nguyên và môi trường hướng dẫn thực hiện NĐ xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực tài nguyên nước

- Thông tư liên tịch số 95/TTLT-BTC-BXD-BNN ngày 19/05/2009 của liên

Bộ Tài chính – Xây dựng – Nông nghiệp và phát triển nông nghiệp; Hướng dẫn nguyên tắc, phương pháp xác định và thẩm quyền quyết định giá tiêu thụ nước sạch tại các đô thị, khu công nghiệp, khu vực nông thôn

- Chỉ thị số 02/2004/CT-BTNMT ngày 02/06/2004 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên

và môi trường về việc tăng cường công tác quản lý Tài nguyên nước dưới đất

- QCVN 01:2009/BYT-Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước ăn uống

- QCVN 02:2009/BYT-Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt

2.2 Giới thiệu về Asen

2.2.1.Nguồn gốc của Asen

Trong tự nhiên asen có trong nhiều loại khoáng vật như Realgar (As4S4), Orpoment (As2S3), Arsenolite (As2O3), Arsenopyrite (FeAsS)… Trong nước asen thường ở dạng asenit hoặc asenat (AsO3-3, AsO3-4) Các hợp chất asen methyl có trong môi trường do chuyển hóa sinh học Asen là một nguyên tố không chỉ có trong nước mà còn có trong không khí, đất, thực phẩm và có thể xâm nhập vào cơ thể con người, nguyên nhân chủ yếu khiến nước ngầm ở nhiều vùng thuộc nước ta nhiễm asen là do cấu tạo địa chất Trong công nghiệp, asen có trong ngành luyện kim, xử lý quặng, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, thuộc da Asen thường có mặt trong thuốc trừ sâu, diệt nấm, diệt cỏ dại

Ngoài ra, những khu vực dân cư tự động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước ngầm Cũng

như việc khai thác nước ngầm quá lớn làm cho mực nước trong các giếng hạ xuống khiến cho khí oxy đi vào địa tầng và gây ra phản ứng hóa học tạo ra asen từ quặng pyrite trong đất và nước ngầm nông, ở mức nước ngầm sâu thì không phát hiện được

Các quá trình sinh - địa - hóa:

Sự phân bố rộng rãi của nguyên tố asen được bắt đầu từ quá trình địa hóa Điều này có nghĩa nồng độ của asen gia tăng khi càng xuống sâu dưới các tầng đất hoặc mạch nước ngầm

Hai môi trường có khả năng tích tụ nồng độ asen cao đó là tại khu vực vũng, vịnh cạn ở miền khí hậu khô hạn đến bán khô hạn và tại những tầng nước ngầm có tính khử mạnh, thường gặp ở vùng chứa nhiều lắng cặn phù sa nhiều sulphat Các tầng lớp lắng cặn mỏng ở địa vực thấp, nơi có độ nghiêng thủy vực thấp, là khu vực đặc trưng chứa nhiều asen trong mạch nước ngầm

Các tầng nước ngầm có nồng độ asen cao thường ở độ sâu từ 20 m đến 120

m Ở 20 m, cấu trúc địa chất chứa nhiều đất sét pha cát trộn lẫn với kankar Xuống đến độ sâu 120 m, đất mịn pha sét có thể chứa nồng độ asen lên đến 550 mg/l

Ở dưới tầng đất ngầm, asen thường xuất hiện nhiều trong các hỗn hợp khoáng tạo đá (ví dụ: oxit sắt, đất sét, hoặc các hỗn hợp khoáng sulphide) Rất nhiều asen bị kết dính trong các hỗn hợp khoáng pyrite ở lưu vực phù sa Đáng chú ý là trong quá trình bơm nước lên từ những khu vực giếng sâu làm hạ thấp mực nước ngầm, oxy theo đó sẽ xâm nhập vào thúc đẩy quá trình oxy hóa khoáng pyrite Quy trình phản ứng oxy-hóa khoáng pyrite cũng đồng nghĩa với việc giải phóng nguyên

tố asen vào môi trường nước (Đỗ Văn Ái và cs, 2000) [1]

Càng xuống sâu dưới các tầng địa chất của một số địa vực đã nêu, nồng độ asen cao hơn Ở trong những tầng địa chất này, phản ứng oxy hóa đối với khoáng chất sunfua diễn ra càng mạnh Vì thế, giải phóng một lượng asen lớn hơn Ở môi trường có độ ẩm càng cao, các hỗn hợp khoáng sunfua tham gia vào quá trình phong hóa càng nhanh hơn Khoáng pyrite là một trong những điển hình của hỗn hợp khoáng kém ổn định nhất trong quá trình

Quy trình các phản ứng oxy hóa diễn ra:

+ Ở dạng ion:

FeAsS + O2 + H2O → H2AsO4- + H3AsO3 + SO42- + H+ + FeOOH

+ Ở dạng hoàn chỉnh:

FeAsS + O2 + H2O → H3AsO4 + H3AsO3 + H2SO4 + FeOOH

a Tính chất hoá lý của asen

* Tính chất vật lý

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 Hàm lượng trung bình từ 1,5 – 2 mg/kg (Lê Huy

Bá, 2009) [2]

Theo từ điển Bách khoa được xuất bản năm 1999, thạch tín là tên gọi thông dụng chỉ nguyên tố asen, nhưng đồng thời dùng chỉ hợp chất oxit của asen hóa trị III (As2O3) Oxit này màu trắng, dạng bột, tan được trong nước và rất độc

Asen 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 Nó được xem như một dạng phi kim, hay được gọi á kim Nó mang nhiều độc tính tương tư một số kim loại nặng như chì và thủy ngân Khối lượng phân tử 74,9216 g/mol, không hòa tan trong nước

Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng nhỏ thạch tín (0,0001 %); tuy nhiên nó lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên Trong tự nhiên, nguyên tố asen tồn tại ở dạng nguyên chất với ba thù hình (dạng alpha có màu vàng, dạng beta có màu đen, dạng gama có màu xám) 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 làm nóng asen chảy ra và thăng hoa ở nhiệt độ 6130C Asen cháy trong không khí tạo thành khói trắng là trioxit asen rất độc 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 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 (Đỗ Văn Ái và cs, 2000) [1]

* Tính chất hóa học

Asen tồn tại dưới dạng các hợp chất (chính các hợp chất của asen mới là những độc chất cực mạnh) Môi trường oxy hóa là điều kiện thuận lợi để cho nhiều hợp chất hóa trị V chuyển sang dạng Asen hóa trị III Trong những hợp chất asen thì H3AsO3 độc hơn H3AsO4 Dưới tác dụng của yếu tố oxi hóa trong đất asen thì

H3AsO3 có thể chuyển sang dạng H3AsO4 Thế oxy hóa khử, độ pH của môi trường

và hàm lượng kaloit giàu Fe 3+…, là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình oxy hóa khử các hợp chất, asen trong tự nhiên có khả năng kết tủa cùng các ion sắt Trong môi trường khí hậu khô: hợp chất asen thường tồn tại ở dạng ít linh động (Lê Huy Bá, 2009) [2]

b Vai trò và ảnh hưởng của asen đối với sức khoẻ con người

* Vai trò của asen

Như chứng ta đã biết, asen là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật 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) [7]

Asen là nguyên tố có mặt trong nhiều loại hóa chất sử dụng nhiều ngành công nghiệp khác như: hóa chất, phân bón (lân – phootsphat, đạm – nitơ), thuốc bảo

vệ thực vật, giấy, dệt nhuộm,…

Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện,… Công nghệ chất thải rắn cũng là một nguồn ô nhiễm không khí, nước bởi asen

*Ảnh hưởng của asen đối với sức khỏe con người

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 gây ung thư biểu mô da, phế quản, phổi , các xoang ,…do asen và các hợp chất của asen có tác dụng lên nhóm Sulphydryl (-SH) phá vỡ quá trình phophory hóa Các enzym sản sinh năng lượng của tế bào trong chu trình axit xitric

bị ảnh hưởng rất lớn Enzym bị ức chế do việc tạo phức với asen (III) làm ngăn cản

sự sinh sản phân tử ATP Do asen có tính chất hóa học tương tự như Photpho, nên chất này có thể làm gây rối loạn photpho ở một số quá trình sinh hóa

Hàm lượng asen trong nước sinh hoạt phải < 0,001 mg/l mới là đạt yêu cầu Theo tổ chức thế giới WHO cứ 10.000 người thì có 6 người bị ung thư do sử dụng nước ăn có nồng độ asen > 0,01 mg/l

Asen là nguyên tố khi được ăn vào rất khó hấp thụ và phần lớn được triệt tiêu

ở nguyên dạng Các hợp chất asen hòa tan trong nước được hấp thụ nhanh chóng từ ống tiêu hóa; Asen (V) và asen hữu cơ được đào thải qua thận rất nhanh và hầu như toàn bộ Asen vô cơ có thể tích lũy ở da, xương và cơ bắp; chu kỳ bán hủy của nó trong trong cơ thể người trong vòng 20 – 40 ngày Mặc dù các kết quả nghiên cứu cho thấy asen có thể là một nguyên tố thiết yếu cho một số loài động vật như dê, chuột, gà nhưng chưa có bằng chứng để nói rằng asen cần cho con người (Phan Văn Duyệt, 2000) [3]

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 asen 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 0,1 g (tính theo As2O3) (Trần Thị Thanh Hương và cs, 2010) [6]

Hiện nay vẫn chưa có một bản liệt kê đầy đủ nào về các loại bệnh do asen Asen vô cơ được coi là chất gây ung thư đồng thời cũng gây nhiều tác động khác nữa Đôi khi các triệu chứng khó thở gây ra bởi asen bị nhầm lẫn với các bệnh khác Asen có thể gây bệnh cấp tính hay mãn tính, tuy nhiên dưới góc độ asen trong nước uống thường chỉ có các bệnh mãn tính (do dùng nước uống chứa nồng độ asen quá

từ năm lần mức cho phép sẽ gây ra các bệnh ung thư, bao gồm ung thư da, ung thư bang quang, thận, phổi, gan, các bệnh tiểu đường) do asen gây ra

Trong nước uống, asen không trông thấy được, không mùi không vị, nên không thể phát hiện Sự phát hiện của người nhiễm asen rất khó do triệu chứng của bệnh phải đến từ 5 đến 15 năm sau mới xuất hiện Bởi vậy, các nhà hóa học còn gọi asen là

“sát thủ vô hình” Và một điều đáng lưu ý là asen độc gấp 4 lần so với thủy ngân

Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống có chứa asen ở nồng độ cao trong một khoảng thời gian dài Các hiệu ứng bao gồm thay đổi màu

da, sự hình thành các viết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bang quang cũng có thể dẫn tới hoại tử Asen là một chất rất độc có thể gây chết ngay nếu uống một lượng bằng nửa hạt ngô

Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi asen sẽ có biểu hiện: khát nước dữ dội, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy, mạch đập yếu, mặt nhợt Nếu bị nhiễm độc asen ở mức

độ thấp, mỗi ngày một ít với liều lượng nhỏ nhưng trong thời gian dài sẽ gây mệt mỏi, buồn nôn và nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, da sạm, rụng tóc, sút cân, giảm trí nhớ, mạch máu bị tổn thương, rối loạn nhịp tim, đau mắt, đau tai, viêm dạ dày và ruột, ung thư,…

Người uống nước bị ô nhiễm asen lâu ngày sẽ có các đốm sẫm màu trên thân thể hay đầu các chi, niêm mạc lưỡi hoặc sừng hóa da, gây sạm và mất sắc tố Bệnh sừng hóa da thường xuất hiện ở tay, chân, lòng bàn tay, gan bàn chân – phần cơ thể

cọ xát hoặc tiếp xúc hoặc tiếp xúc ánh sáng nhiều lâu ngày sẽ tạo thành các đinh cứng màu trắng gây đau đớn Bệnh đen và rụng móng chân có thể dẫn đến hoại tử, rụng dần từng đốt ngón chân

Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của asen tới sức khỏe là khả năng gây đột biến gen, ung thư, thiếu máu và các bệnh tim mạch, các bệnh ngoài da, tiểu đường, bệnh gan và các vấn đề liên quan đến tiêu hóa các rối loạn ở hệ thần kinh – ngứa hoặc mất cảm giác ở các chi và khó nghe Sau 15 - 20 năm kể từ khi phát hiện, người nhiễm độc asen sẽ chuyển sang ung thư và chết (Trần Hữu Hoan, 2010) [4]

Hình 2.1 Sơ đồ vòng tuần hoàn của asen trong môi trường

c Nguyên tố asen lan truyền trong môi trường nước ngầm

* Con đường xâm nhập trong nước

Con đường tự nhiên: sự tích tụ trong các tầng trầm tích chứa nước Khi điều kiện môi trường thay đổi, nó được giải phóng và đi vào nước dưới dạng ion, sự hòa tan tự nhiên của khoáng chất và quặng

Con đường nhân tạo: do chất thải công nghiệp (nhất là trong quá làm thủy tinh,

đồ gốm, thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm và chất màu để pha sơn, chất bảo quản gỗ),

sử dụng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật, hoạt động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật của người dân Asen thâm nhập vào cơ thể chủ yếu qua thực phẩm, nước uống và không khí (Lê Huy Bá, 2009) [2]

* Cơ chế

Asen xâm nhập vào nước từ các công đoạn hòa tan các chất và quặng mỏ, từ nước thải công nghiệp và từ sự lắng đọng trong không khí Ở một vài nơi, đôi khi asen xuất hiện trong nước ngầm do sự ăn mòn các nguồn khoáng vật thiên nhiên Asen được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxi hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hidroxit giàu asen Về cơ chế xâm nhiễm các nhiễm các kim loại nặng, trong đó có asen vào nước ngầm cho đến nay đã có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất

Thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điều kiện địa chất thủy văn mà asen có thể xâm nhập vào môi trường nước

Hàm lượng asen trong nước dưới đất phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa Asen tồn tại trong nước dưới đất ở dạng H3AsO4 1- (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO42- (trong môi trường kiềm) Hợp chất

H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxy hóa-khử yếu Các hợp chất của asen với Na có tính hòa tan rất cao Những muối của asen với Ca, Mg và các hợp chất asen hữu cơ trong môi trường pH gần trung tính, nghèo Ca thì độ hòa tan kém hơn các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là asen – axit fulvic thì rất bền vững, có xu thế tăng theo độ pH và tỷ lệ asen – axit fulvic Các hợp chất của As5+ hình thành theo phương thức này Phức chất asen như vậy có thể chiếm tới 80% các dạng hợp

chất asen tồn tại trong nước dưới đất

Asen trong nước dưới đất thường tập trung cao trong kiểu nước bicarbonate như bicarbonate Cl, Na, B, Si

Nước dưới đất trong những vùng trầm tích núi lửa, một số khu vực quặng hóa nguồn gốc nhiệt dịch, mỏ dầu - khí, mỏ than,… thường giàu asen Nếu nước dưới đất không có oxy thì các hợp chất arsenat được khử thành arsenua chất này có độc tính gấp 4 lần arsenat Trong trường hợp tầng đất giàu chất hữu cơ và sắt thì khả năng hấp thụ asen tốt, khiến tiềm năng ô nhiễm sẽ cao hơn

Nguyên nhân khiến cho nước ngầm có hàm lượng asen cao là do sự oxy hóa arsenopyrit, pyrite trong các tầng sét và lớp kẹp than bùn trong bồi tích cũng như giải phóng asen dạng hấp thụ khi khử keo hydroxyt Fe3+ bởi các hợp chất hữu cơ và

vi sinh vật (Lê Huy Bá, 2009) [2]

có thể đạt khoảng 50% (Trần Mạnh Cường, 2010) [9]

b Keo tụ

Phương pháp keo tụ bao gồm các phản ứng hóa học, quá trình hình thành các bông keo tụ, phá vỡ độ bền vững hợp thể của các hạt chất bẩn, sự dính kết và tăng kích thước của các hạt chất bẩn trong nước cần xử lý… Phương pháp này thường được sử dụng để tách các hợp chất thể keo (kích thước 0.001-100μm) và các hạt tán sắc lơ lửng trong nước (>100μm) Phương pháp keo tụ chuyển asen từ dạng tan sang dạng không tan nhờ phản ứng hóa học, sau đó tách chúng ra khỏi nước nhờ lắng hoặc lọc Công nghệ thường sử dụng là: bổ sung thêm chất keo tụ như các muối sắt hoặc nhôm, có thể oxy hóa sơ bộ hoặc sau đó và điều chỉnh pH Trong

công nghệ này, xử lý cặn thải chứa asen từ quá trình keo tụ cũng là một vấn đề cần quan tâm (Trần Mạnh Cường, 2010) [9]

tự nhiên, các hợp chất kết tủa của sắt và mangan, các bông keo tụ vi khuẩn (Trần Mạnh Cường, 2010) [9]

e Hấp phụ

Asen có thể hấp phụ trên bề mặt của các vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xenlulo như: than hoạt tính, than hoạt tính đã xử lý bằng một số hợp chất kim loại, các hợp chất oxit sắt, oxit titan, oxit silic, sét khoáng (cao lanh, bentonit,…), bauxit, hematit felspat, nhựa tổng hợp trao đổi anion, than xương, cát bọc một lớp oxyt sắt hoặc dioxyt mangan MnO2, các vật liệu xenlulo (mùn cưa, bột giấy) 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 còn phụ thuộc vào việc sử dụng các chất oxy hóa hỗ trợ quá trình hấp phụ asen (Trần Mạnh Cường, 2010) [9]

g Oxy hóa và loại Asen bằng năng lượng mặt trời (SORAS)

Đây là quá trình xử lý asen đơn giản trong cấp nước nông thôn từ nguồn nước ngầm, sử dụng phản ứng oxy hóa quang hóa As+3

thành As+5 nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As+5 ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe+3 Phản ứng oxy hóa quang hóa được tăng cường hiệu suất nhờ nhỏ thêm vài giọt chanh hoặc nước vôi đặc, giúp cho quá trình tạo các bông keo Fe+3 SORAS có hiệu quả khi hàm lượng sắt trong nước ngầm ít nhất 3mg/l, cường độ bức xạ UV-A 50 Wh/m2 Một số phương pháp xử lý nước ô nhiễm asen trên thế giới và trong nước như:

Phương pháp xử lý nước ô nhiễm asen bằng tro của than đá của Bangladesh Các thí nghiệm cho thấy mẫu nước nhiễm độc tính ở mức 2.400ppb sau khi lọc, thạch tín giảm chỉ còn 10ppb Theo tính toán, 5g tro than có thể lọc khoảng 11 lít nước

ăn, có mức độ nhiễm thạch tín trung bình 400ppb, thành nước an toàn cho ăn uống Ngoài ra, than đá do được đốt nóng đến 800o

C nên tro là một dạng bột vô trùng

Phương pháp sử dụng quặng pyrolusit để loại bỏ asen của TS Bùi Quang Cư

- Viện Công Nghệ Hóa Học TP.HCM thuộc Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam Quặng được sử dụng bằng cách nghiền thành bột mịn và xử lý nung ở nhiệt độ

400oC Bột sau đó được cho vào các cốc thủy tinh có chứa dung dịch asen ở nhiều nồng độ khác nhau Kết quả cho thấy, khi được nung tới 400oC, quặng pyrolusit có khả năng hấp thụ cao với lượng Asen trong nước Sau khi xử lý hàm lượng asen trong nước giảm từ 170 ppb xuống dưới 10ppb Cứ 1 gam pyrolusit có thể lọc tối đa 0,175mg asen trong một lít nước

Phương pháp lọc asen trong nước bằng cát bọc mangan dioxit ở ngoài với giá

11 USD/kg Chủ yếu chỉ sử dụng ở quy mô lớn Phương pháp xử lý asen bằng đất sét, đá ong, đá son (limonit) của PGS.TS Trần Hồng Côn và cộng sự tại khoa hóa trường KHTN - ĐHQG Hà Nội Bình lọc có cấu tạo như các bình lọc thông thường nhưng bộ cột lọc có tính năng oxy hóa và hấp thụ để giữ asen Thiết bị lọc này có cấu tạo rất đơn giản, gồm một thùng có hai ngăn bằng inox Ngăn thứ nhất (đầu vào) chứa một cột lọc với kích thước cỡ 75m3 hoặc 300m3 nước Khi nước chảy qua cột lọc, asen trong nước bị oxy hóa, các hạt đất sét, đá ong và đá son biến tính trong

đó sẽ giữ lại asen và mangan Nước sạch sẽ chảy vào thùng thứ hai, có thể sử dụng (Trần Mạnh Cường, 2010) [9]

2.3 Cơ sở thực tiễn

2.3.1 Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên Thế giới và Việt Nam

2.3.1.1 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, Canada, Mỹ

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) Nồng độ cao của asen có thể tìm thấy lên tới 1000 g/l Ở phía Tây Nam Đài Loan nồng độ asen trung bình 147.671g/l và người dân sử dụng nước ở đây đã bị bệnh đen chân (blackfoot) (Nguyễn Trần Liên Hương, 2010) [5]

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 hưởng rộng 3.400 km2, xấp xỉ 30 triệu dân,

số người sử dụng nước nhiễm độc asen lên tới hơn 1 triệu người, trong đó hơn 200.000 người đã được xác nhận là có triệu chứng nhiễm độc asen Đây là vụ nhiễm độc asen lớn nhất trong lịch sử

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

2.3.1.2 Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Theo kết quả nghiên cứu của Đỗ Văn Ái và cộng sự (2000), 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,…(Đỗ Văn Ái và cs, 2000) [1]

Hình 2.2 Bản đồ ô nhiễm asen mức độ ô nhiễm theo màu sắc

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

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 năm 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) [8]

Bảng 2.1 Tổng hợp những kết quả xét nghiệm asen do UNICEF