NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÍ NƯỚC NGẦM BỊ NHIỄM ASEN Ở CỒN THỚI SƠN VỚI LƯU LƯỢNG 30M3H

Qua quá trình tìm hiểu các công nghệ xử lí asen theo các qui mô khác nhau trên thế giới, tôi đã xác định được qui trình chung để xử lí asen bao gồm hai giai đoạn là giai đoạn oxi hoá AS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÍ NƯỚC NGẦM BỊ NHIỄM ASEN Ở CỒN THỚI SƠN

Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG NGỌC LUÂN

TP.HCM 7-2009

Tác giả

TRƯƠNG NGỌC LUÂN

Khóa luận được đệ trình đáp ứng yêu cầu

cấp bằng kỹ sư ngành

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn:

TS Lê Quốc Tuấn

Tháng 7 năm 2009

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN 



PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN

Họ và tên: TRƯƠNG NGỌC LUÂN MSSV: 05113032

Khóa học: 2005 - 2009

1) Tên đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lí nước ngầm bị nhiễm asen tại cồn Thới Sơn với lưu lượng 30m 3 /h”

2) Nội dung khóa luận:

 Khảo sát tình hình nhiễm asen trong nguồn nước ở Thới Sơn, tính chất nguồn nước, và nhu cầu sử dụng nước sạch của địa phương

 Tìm hiểu công nghệ xử lí nước nhiễm asen, lựa chọn vật liệu xử lí

 Đề xuất công nghệ xử lí asen trong nước

 Tính toán thiết kế và dự toán kinh tế hệ thống xử lí nước ngầm nhiễm

asen cho địa phương

3) Thời gian thực hiện: Bắt đầu: 04 – 2009 Kết thúc: 07 - 2009

4) Họ tên giáo viên hướng dẫn: TS Lê Quốc Tuấn

Nội dung và yêu cầu KLTN đã được thông qua Khoa và Bộ môn

TS Lê Quốc Tuấn

Tôi xin gửi lời chân thành biết ơn đến thầy Lê Quốc Tuấn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Chân thành cảm ơn Trung Tâm Ứng Dụng Khoa Học Công Nghệ tỉnh Tiền Giang, Uỷ Ban Nhân Dân Xã Thới Sơn đã giúp đỡ nhiệt tình trong khi tôi khảo sát tính chất nguồn nước

Cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững vàng cho tôi hoàn thành luận văn

Cảm ơn các thành viên lớp ĐH05MT đã chia sẽ và góp ý để luận văn hoàn tốt hơn

Kính chúc quí thầy cô và các bạn lời chúc sức khỏe và thành công trong cuộc sống

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009

Trương Ngọc Luân

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Asen tồn tại trong nước ngầm gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người Theo các phân tích của Trung Tâm Y Tế Dự Phòng tỉnh Tiền Giang thì hàm lượng asen ở Cồn Thới Sơn là cao nhất ở Tiền Giang Tại đây đã có hệ thống xử lí nước nhiễm asen nhưng hiệu quả xử lí chưa ổn định, công suất nhỏ không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước của người dân trong vùng Nước mà người dân đang sử dụng được khai thác từ ba giếng khoan ở Thới Thạnh chưa được xử lí asen Công nghệ xử lí nước nhiễm asen ở qui mô nhà máy chưa nhiều ở nước ta mặc dù tình trạng nước ngầm nhiễm asen đang đe doạ cuộc sống của người dân Qua quá trình tìm hiểu các công nghệ xử lí asen theo các qui mô khác nhau trên thế giới, tôi đã xác định được qui trình chung để xử lí asen bao gồm hai giai đoạn là giai đoạn oxi hoá AS (III) thành As(V) và giai đoạn phản ứng của phức chất của As(V) với vật liệu hấp phụ hoặc vật liệu trao đổi ion Ở giai đoạn oxi hoá As(III) thành As(V) thì hoá chất oxi hoá phổ biến được sử dụng là clo và các hợp chất của nó như NaOCl, CaOCl2, Ca(OCl)2 Chất oxi hoá Ca(OCl)2 có hàm lượng clo hoạt tính từ 30% đến 45%, không hút ẩm, độ hoạt tính bền cho nên việc sử dụng Ca(OCl)2 trong quá trình oxi hoá asen là hợp lí Qua khảo sát tính chất nguồn nước ở Thới Sơn thì vật liệu có thể sử đối với nguồn nước ở đây là nhựa anion gốc Cl-, nhôm hoạt tính, FeO, hạt Fe(OH)3, MnO2, tuy vậy các công nghệ này đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao không phù hợp với vùng dân cư nông thôn

về mặt kinh tế Nhằm tìm ra vật liệu xử lí nước phù hợp về hiệu quả xử lí và kinh tế

và dựa trên những cơ chế xử lí có sẵn trên thế giới, tôi đã thử nghiệm hiệu quả xử lí As(V) của than hoạt tính làm từ gáo dừa và cát có ở địa phương tại trạm cấp nước chưa được xử lí ở thôn Thới Thạnh – Thới Sơn Kết quả thử nghiệm chỉ ra rằng: Hiệu quả xử lí của than hoạt tính làm từ gáo dừa rất thấp khi lọc với vận tốc 5 m/h, hiệu quả xử lí của cát lọc có ở địa phương với vận tốc 0,5 m/h từ 46% - 53% Từ kết quả thử nghiệm tôi thực hiện thiết kế trạm xử lí nước với công suất 30 m3/h và dự toán giá thành nước sau xử lí để cung cấp cho người dân

Thời gian thực hiện đề tài “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lí nước ngầm bị nhiễm asen tại cồn Thới Sơn với lưu lượng 30 m3/h” là từ tháng 3 – 2009 đến tháng 7 – 2009, dưới sự hướng dẫn của thầy TS Lê Quốc Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT KHÓA LUẬN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC BIỂU ĐỒ vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1

1.3 Mục tiêu của đề tài 1

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về asen 3

2.1.1 Khái quát 3

2.1.2 Nguyên nhân nguồn nước bị nhiễm asen 3

2.1.3 Độc tính của asen 3

2.2 Tình hình nhiễm độc asen trên thế giới và Việt Nam 4

2.2.1 Tình hình nhiễm độc asen trên thế giới 4

2.2.2 Tình hình nhiễm độc asen ở Việt Nam 4

2.3 Tình hình cấp nước sinh hoạt ở nông thôn Việt Nam 5

2.4 Tổng quan về các công nghệ xử lí nước nhiễm asen đang được áp dụng 6

2.4.1 Phương pháp keo tụ tạo bông 6

2.4.2 Phương pháp lọc màng 6

2.4.3 Phương pháp hấp phụ 7

2.4.4 Phương pháp trao đổi ion 7

2.4.5 Phương pháp thấm hút 8

2.5 Tình hình áp dụng công nghệ xử lí asen một số nơi trên thế giới và ở Việt Nam 9

2.5.1 Công nghệ sử dụng cho quy mô hộ gia đình 9

2.5.2 Công nghệ sử dụng cho qui mô là một cộng đồng dân cư 12

2.6 Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới 13

2.6.1 Các xu hướng xoay quanh vật liệu truyền thống 13

2.6.2 Xu hướng nghiên cứu vật liệu, phương pháp mới 13

2.7 Tổng quan các quá trình áp dụng cho các công nghệ xử lí asen 14

2.7.1 Quá trình oxi hoá 14

2.7.1.2 Oxi hoá bằng KMnO4 17

2.7.1.3 Oxi hoá bằng ozôn 18

2.7.1.4 Oxi hoá bằng ClO2 19

2.7.2 Phương pháp hấp phụ 21

2.7.2.1 Qúa trình hấp phụ 21

2.7.2.2 Chất bị hấp phụ 21

2.7.2.3 Cơ chế hấp phụ 21

2.7.2.4 Giải hấp phụ 21

2.7.3 Ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lí asen 22

2.7.3.1 Nhôm hoạt tính 22

2.7.3.2 Phương pháp hấp phụ bằng sắt 24

2.7.4 Phương pháp trao đổi ion 24

2.7.4.1 Qúa trình trao đổi ion 24

2.7.4.2 Vật liệu trao đổi ion 24

2.7.5 Ứng dụng phương pháp trao đổi ion trong xử lí asen 24

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 28

3.1 Cơ sở nghiên cứu 28

3.1.1 Tính chất nguồn nước 28

3.1.2 Sự lựa chọn phương pháp xử lí 28

3.1.2.1 Ưu và khuyết điểm một số phương pháp khi áp dụng tại cồn Thới Sơn 29

3.1.2.2 Vật liệu nghiên cứu 30

3.2 Mô hình thí nghiệm 31

3.2.1 Mục đích nghiên cứu 31

3.2.2 Vật liệu và hoá chất 31

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 34

4.1 Kết quả 34

4.2 Bàn luận 36

4.3 Ý nghĩa thực tiễn 37

4.4 Thuyết minh công nghệ 37

4.4.1 Giàn mưa 38

4.1.2 Bể tiếp xúc 39

4.1.3 Bể lọc chậm 39

4.1.4 Bể chứa 39

4.1.5 Bể tuần hoàn 40

4.1.6 Sân phơi cát 40

4.5 Tính toán các công trình đơn vị 40

4.5.1 Giàn mưa 40

4.5.2 Bể tiếp xúc 41

4.5.3 Bể lọc chậm 41

4.5.4 Bể chứa 41

4.5.4 Bể tuần hoàn 41

4.5.5 Bể trộn Ca(OCl)2 42

4.5.6 Sân phơi cát 42

Chương 5 TÍNH TOÁN KINH TẾ 43

5.1 Chi phí đầu tư cơ bản 43

5.2.Chi phí quản lý vận hành 43

5.3 Khấu hao tài sản và lãi suất 43

5.4 Giá thành xử lý cho 1m3 nước ngầm đã xử lý 44

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

6.1 Kết luận 45

6.2 Kiến nghị 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Tỉ lệ phản ứng của chất oxi hoá vá chất bị oxi hoá 15

Bảng 2.2: Thí nghiệm phản ứng As(III) với clorin 16

Bảng 2.3: Thí nghiệm phản ứng As(III) với KMnO4 17

Bảng 2.4: Thí nghiệm phản ứng As (III) với O3. 18

Bảng 2.5: Thí nghiệm phản ứng As (III) với ClO2 20

Bảng 3.1: Tính chất nguồn nước tại cồn Thới Sơn 28

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 2.3: Ảnh hưởng của Ph lên hiệu quả hoạt động của nhôm hoạt tính 23

Sơ đồ 2.1: Qui trình xử lí asen bằng phương pháp trao đổi ion 25

Biểu đồ 2.4: Ảnh hưởng của SO42- lên hiệu quả trao đổi ion khi xử lí asen 26

Biểu đồ 3.1: Sự lựa chọn phương pháp xử lí asen dựa trên tỉ lệ Fe/As 30

Biểu đồ 4.1: Ảnh hưởng của PH đến các dạng tồn tại của As(V) trong nước 36

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BSF: Lọc cát sinh học (Bio Sand Filter)

BTNMT: Bộ Tài Nguyên Môi Trường

BTU: Bucket Treatment Unit

U.S EPA: United States Environmental Protection Agency

UBND: Uỷ Ban Nhân Dân

Chương 1

MỞ ĐẦU1.1 Đặt vấn đề

Nhu cầu sử dụng nước sạch nông thôn nước ta rất cấp thiết Số lượng người dân nông thôn sử dụng nước ngầm cho sinh hoạt lớn (khoảng 31% người dân nông thôn sử dụng nước giếng khoan, 31,2% sử dụng giếng đào) (Bộ Y Tế, 2008) Chất lượng nước ngầm của một số nguồn nước không đảm bảo vệ sinh do nhiễm những thành phần không tốt cho sức khỏe, trong đó thành phần kim loại nặng ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng nước ngầm Asen là kim loại gây nhiễm độc nước ngầm phổ biến trên thế giới và Việt Nam

Cồn Thới Sơn thuộc huyện Châu Thành tỉnh Tiền Giang là nơi có hàm lượng asen lớn nhất ở tỉnh Tiền Giang (Nguyễn Tấn Phong, 2008) Tại đây có hai trạm cấp nước đang hoạt động để cung cấp nước sử dụng cho người dân Trạm 1 đang hoạt động với công suất 22 m3/h đã qua hệ thống xử lí asen do sở KHCN tỉnh Tiền Giang thiết kế (công suất thiết kế là 10 m3/ h) Trạm 2 hoạt động với 22 m3/h chưa qua hệ thống xử lí asen Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên nên tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kề hệ thống xử lí nước ngầm bị nhiễm asen tại cồn Thới Sơn với lưu lượng 30

m3/h” tại trạm cấp nước thứ 2 ở Thới Sơn

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về ý nghĩa khoa học, do những nghiên cứu xử lí asen ở đồng bằng sông Cửu Long ít cho nên đề tài thực hiện là một tài liệu nghiên cứu về xử lí asen cho các vùng khác ở đồng bằng sông Cửu Long nói riêng và cả nước nói chung

Về ý nghĩa thực tiễn, nghiên cứu giải quyết được sự lựa chọn phương án thiết kế thích hợp để xây dựng hệ thống xử lí nước nhiễm asen cho trạm cấp nước thứ 2 ở Thới

Sơn

1.3 Mục tiêu của đề tài

Trước hết đề tài sẽ được thực hiện qua việc khảo sát tính chất và những thành phần trong nguồn nước ngầm ở đây Trên cơ sở kết quả khảo sát kết hợp với các tài

liệu xử lí asen, kết quả các nghiên cứu, thí nghiệm, hệ thống xử lí asen thực đã có trên thế giới đề ra qui trình xử lí thích hợp nhất Tiếp đến, mô hình thử nghiệm sẽ được thiết kế và vận hành để kiểm tra lại khả năng xử lí của vật liệu lựa chọn Cuối cùng là thiết kế một hệ thống xử lí nước đạt tiêu chuẩn nước cấp sinh hoạt với giá thành chấp nhận được đối với người dân trong vùng

Chương 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU2.1 Tổng quan về asen

2.1.1 Khái quát

Asen là nguyên tố thứ 33 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học

có kí hiệu là As Asen hiện diện trong nước ngầm trong trạng thái yếm khí dưới dạng As(III) và dạng trung tính Khi tiếp xúc với không khí (nước mặt) một phần lớn As(III)

sẽ chuyển hóa thành As(V) Asen có thể tồn tại với lượng lớn trong tự nhiên ở dạng arsenopyrite hoặc các hợp chất khác với lưu huỳnh Asen không gây mùi khó chịu khi

có mặt trong nước 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 (Ueki K và CS, 2004)

2.1.2 Nguyên nhân nguồn nước bị nhiễm asen

Tại những khu vực có quặng chứa asen khi có dòng nước chảy qua sẽ mang asen

đã bị phong hoá vào trong nước Sự suy thoái nguồn nước ngầm làm cho các tầng khoáng chứa asen bị phong hoá, asen từ dạng khó tan chuyển sang dạng tan được trong nước Sự khử các oxihidroxit của sắt và mangan bởi vi khuẩn yếm khí sẽ làm cho lượng asen đã hấp thụ trên các hạt mịn của oxithidroxit sắt hoặc mangan chuyển thành dạng tan Ngoải ra một số hoạt động trong công nghiệp, nông nghiệp phát tán những chất chứa asen vào mạch nước ngầm Tất cả những nguyên nhân trên làm cho nguồn nước bị nhiễm asen không những ở nước ngầm mà còn ở trong nước mặt (Mai Thanh Truyết, 2005)

sau đó bị chảy nước và lở loét Bệnh sừng hoá có biểu hiện là các đinh cứng màu trắng gây đau đớn xuất hiện ở tay, chân, những phần cơ thể cọ xát nhiều hoặc tiếp xúc ánh sáng nhiều Bệnh đen và rụng móng chân có biểu hiện là hoại tử, rụng dần từng đốt ngón chân Bệnh ung thư do sử dụng nước nhiễm asen lâu ngày có rất nhiều dạng như ung thư gan, ung thư phổi, ung thư bàng quang và ung thư thận Ảnh hưởng độc hại đáng lo ngại nhất của asen tới sức khoẻ là khả năng gây đột biến gen của asen khi xâm nhập vào trong cơ thể tạo ra những căn bệnh phức tạp khác

2.2 Tình hình nhiễm độc asen trên thế giới và Việt Nam

2.2.1 Tình hình nhiễm độc asen trên thế giới

Ở Bangladesh, người dân bị nhiễm asen chủ yếu do sử dụng nước giếng của UNICEF tài trợ nhằm hạn chế sự lây lan của căn bệnh tiêu chảy vào những năm 70

Có khoảng 1/5 trong số 8 triệu giếng có nồng độ asen trên mức tiêu chuẩn nước uống Hàng nghìn mẫu nước và xác định 900 ngôi làng đang sử dụng có nồng độ asen trên mức cho phép (David Bradley, 2000)

Ở Tây Bengal (Ấn Độ), nguồn nước cung cấp cho 6 quận với tổng dân số hơn 30 triệu người có nồng độ asen trong nước cao hơn tiêu chuẩn Có đến 37 khu nhà ở trong

6 quận này và khoảng 800 nghìn người trong 312 khu làng sử dụng nguồn nước bị nhiễm asen làm nước uống và ít nhất có đến 75 nghìn người bị tổn thương da do chất độc asen (Amit Chatterjee và CS, 1995)

Một số địa phương của Hoa Kì như Fallon, Nevada, có nồng độ asen cao trong nước ngầm (lớn hơn 0,08 mg/l) (Frederick Rubel, 1985) Ở Arizona có khoảng 35% giếng nước không được tiếp tục sử dụng và ở California là 38% do nhiễm asen (Singh A.K, 2006) Thậm chí nước mặt của sông Verde ở Arizona đôi khi nồng độ asen trên 0,01 mg/l, đặc biệt là khi có các nguồn nước ngầm chảy vào sông

Ngoài ra, nguồn nước ngầm của một số quốc gia khác cũng bị nhiễm asen như Trung Quốc, Thái Lan, Việt Nam…

2.2.2 Tình hình nhiễm độc asen ở Việt Nam

Asen có mặt trên lãnh thổ Việt Nam ở ba vùng miền núi, đồng bằng, đới duyên hải nhưng tập trung chủ yếu ở các tỉnh đồng bằng sông Hồng và các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (Mai Thanh Truyết, 2005)

Ở đồng bằng sông Hồng, nồng độ asen tập trung ở các tỉnh Phú Thọ, Bắc Giang, Hưng Yên, Hà Nam, Nam Định, Thanh Hóa và thành phố Hà Nội Tỷ lệ các giếng có nồng độ asen từ 0,1 mg/l đến 0,5 mg/l của các xã dao động từ 59,6 - 80%

Ở đồng bằng sông Cửu Long, nồng độ asen tập trung ở các tỉnh An Giang, Đồng Tháp, Long An, Kiên Giang Tại An Giang, trong số 2.700 giếng khoan có đến 544 giếng có nước nhiễm asen Tại Long An, trong 4.876 mẫu nước ngầm được khảo sát

có 56% số mẫu nhiễm asen Tại Đồng Tháp, trong tổng số 2.960 mẫu nước ngầm có trên 67% số mẫu nhiễm asen Tại Kiên Giang, trong số 3.000 mẫu nước ngầm có trên 51% số mẫu nhiễm asen Tại TP HCM, mức độ ô nhiễm asen trong nước ngầm, nước đóng chai là không đáng kể (Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, 2007)

2.3 Tình hình cấp nước sinh hoạt ở nông thôn Việt Nam

Theo kết quả khảo sát thống kê của UNICEF và Bộ Y tế, trong tổng số hộ dân ở nông thôn mới chỉ có 11,7% được sử dụng nước máy, 31% sử dụng giếng khoan, 31,2% sử dụng giếng đào, số còn lại chủ yếu dùng nước ao hồ, nước mưa và nước đầu nguồn sông suối Một số lượng lớn người dân vẫn chưa được hưởng lợi từ chương trình nước sạch nông thôn của nhà nước, vẫn còn nhiều hộ sử dụng nước không hợp vệ sinh từ ao, hồ, sông suối Một số tỉnh áp dụng chương trình không hiệu quả, nước cấp cho nhân dân không đạt chất lượng Vì vậy nhu cầu nước sạch ở nông thôn rất cấp thiết

Biểu đồ 2.1: Tỷ lệ các hộ gia đình được sử dụng nước sạch, xu hướng thời gian

Nguồn : TCTK – 1991, 1995, MICS II-2000 (Báo cáo diễn biến môi trường Việt

Nam 2003)

2.4 Tổng quan về các công nghệ xử lí nước nhiễm asen đang được áp dụng

Có nhiều kĩ thuật xử lí asen nhưng đều dựa trên bốn phương pháp xử lí chính là: Keo tụ tạo bông, hấp phụ qua lớp vật liệu, trao đổi ion, thẩm thấu Sự lựa chọn phương pháp dựa vào hiệu quả xử lí, khả năng áp dụng và những ưu thế về mặt kĩ thuật Ngoài

ra nó còn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế và khả năng chấp nhận của cộng đồng tại nơi xử lí

2.4.1 Phương pháp keo tụ tạo bông

Phương pháp keo tụ tạo bông là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng để xử

lí nước nhiễm asen trong nước ngầm Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn oxi hoá As(III) thành As(V) Giai đoạn thứ hai là giai đoạn phản ứng keo tụ của hóa chất keo tụ với As(V) tạo thành các bông cặn Giai đoạn thứ ba là giai đoạn tách bông cặn ra khỏi nước bằng lắng và lọc Phương pháp này có thể khử asen dưới 0,05 mg/l, trong một số trường hợp có thể dưới 0,01 mg/l Hoá chất keo tụ rất đa dạng, việc lựa chọn hoá chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố như các hợp chất của asen, nồng độ asen, pH của nước và các chất khác trong nước khác cần được xử lí (Robins và Robert G, 2001) Để tăng hiệu quả keo tụ người ta thường hiệu chỉnh pH tối ưu cho quá trình tạo bông tương ứng với từng loại hoá chất, thêm chất trợ keo tụ vào giai đoạn tạo bông Trạng thái hoá trị của asen, pH của nước, hợp chất của các kim loại khác có trong nước là những nhân

tố tố chính ảnh hưởng đến quá trình xử lí Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí xử lí như loại hoá chất sử dụng và liều lượng hoá chất sử dụng, mục tiêu xử lí, lượng bùn cặn sinh ra sau khi xử lí (U.S EPA, 2000)

2.4.2 Phương pháp lọc màng

Phương pháp lọc màng có thể khử asen trong một phạm vi rộng về nồng độ Hiệu quả của phương pháp này tương đối cao nhưng rất nhạy cảm với các chất bẩn trong nước và đặc tính của nguồn nước, mặt khác lượng chất sinh ra sau xử lí thì nhiều hơn so với các phương pháp khác, khi sử dụng phương pháp này đòi hỏi chi phí phải cao Dựa vào kích thước các hạt mà màng có thể lọc mà người ta chia thành 4 loại màng lọc MF, UF, NF, RO Lọc màng NF và RO đòi hỏi áp lực lơn hơn (35000 -

105000 kg/m2) so với lọc MF và UF (3500 -70000 kg/m2) (U.S Office Of Water,

2000) Phương pháp MF chỉ lọc được những hạt có kích thước lớn (lọc vật lí) với áp lực nhỏ, màng NF và RO có thể lọc được những dạng không hoà tan của asen trong nước (lọc hoá học) với áp lực cao cho nên phương pháp xử lí asen bằng màng thích hợp nhất là lọc màng NF và màng RO còn phương pháp MF chỉ thích hợp khi kết hợp với quá trình tạo bông Các chất dễ gây tắc lọc, pH, nhiệt độ, trạng thái hoá trị asen là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí

2.4.3 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp thụ có thể giảm asen trong nước bé hơn 0,05 mg/l, trong một

số trường hợp có thể giảm bé hơn 0,01 mg/l Hiệu quả xử lí phụ thuộc rất nhiều những chất bẩn có trong nước và tính chất của nguồn nước Phương pháp này ít sử dụng hơn phương pháp keo tụ nhưng phổ biến trong xử lí nước uống như là một phương pháp làm tăng thêm chất lượng nước trong qui trình công nghệ Lớp vật liệu hấp phụ sẽ được cho vào trong một bồn, asen sẽ được hấp thụ vào lớp vật liệu này khi cho dòng nước đi qua nó Những chất hấp phụ thường sử dụng trong quá trình hấp phụ như nhôm hoạt tính, hạt Fe(OH)3, FeO, MnO2, zeolite hoạt động bề mặt và những loại vật liệu khác Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sử lí như hiện tượng tắc lọc do chất rắn lơ lững, chất hữu cơ (Twidwell L.G., 1999), số oxi hoá của asen (U.S EPA, 2000), hiệu quả xử lí sẽ giảm khi tăng lưu lượng trên cùng một đơn vị vật liệu lọc, mỗi loại vật liệu hấp phụ có một giá trị pH tối ưu cho hiệu quả xử lí (Twidwell L.G.,1999) Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí xử lí bao gồm nồng độ các chất bị hấp phụ, loại vật liệu hấp phụ và khả năng hoàn nguyên của nó, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí Nồng độ chất bẩn đầu vào càng lớn thì yêu cầu phải thường xuyên thay thế hay hoàn nguyên vật liệu Vật liệu càng bền, càng dễ hoàn nguyên thì chi phí sẽ giảm Đối với những nguồn nước có tính chất thuận lợi cho xử lí thì ta tiết kiệm được một lượng chi phí lớn vì vậy nên khảo sát nguồn nước, lựu chọn địa điểm trước khi đầu tư xây dựng nhà máy xử lí

2.4.4 Phương pháp trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion có thể giảm asen xuống nồng độ dưới 0,05 mg/l, một

số trường hợp có thể giảm dưới 0,01 mg/l Trao đổi ion là một phương pháp hoá học

mà tại đó trên bề mặt chất rắn các ion cần loại bỏ sẽ trao đổi với những ion tương tự trong lớp vật liệu Vật liệu trao đổi trong phương pháp trao đổi ion để khử asen là dạng

hạt keo được tạo thành từ các vật liệu hữu cơ, vô cơ, polime tự nhiên Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lí như hoá trị asen, sự có mặt của các ion âm khác trong nước, các chất dễ dính bám lên vật liệu, pH nguồn nước, các ion có khả năng tạo hợp chất với asen Sự có mặt của các ion âm trong nước sẽ cạnh tranh trao đổi với ion của asen, kết quả là cần nhiều hơn ion trao đổi với asen hơn trong lớp vật liệu Các chất dễ dính bám lên vật liệu như chất hữu cơ, chất rắn lơ lững, canxi, sắt lên các hạt nhựa làm ngăn cản sự tiếp xúc giữa ion dương trong hạt nhựa và các phức âm của asen (U.S.EPA, 2000) Chi phí xử lí sẽ giảm đáng kể khi dùng những hạt nhựa có khả năng hoàn nguyên tốt, chất lượng nước đầu vào thích hợp

2.4.5 Phương pháp thấm hút

Phương pháp thấm hút được dùng để xử lí nước ngầm ở một vài nơi Mặt dù đã

có nhiều vật liệu có thể sử dụng đối với phương pháp này nhưng chỉ có FeO và đá vôi

là được sử dụng Trong phương pháp này dòng nước nhiễm asen sẽ đi qua các thành chứa các vật liệu phản ứng bởi các khe, lớp vật liệu chắn cho dòng nước đi qua và thực hiện các phản ứng theo các cơ chế như keo tụ, biến đổi chất, hấp phụ, trao đổi ion Hoá chất và vật liệu phản ứng như sắt hoá trị không, đá vôi, xỉ than, zeolite sunphat, nhựa trao đổi ion Chiều sâu sử dụng phương pháp này phải trên 9 m Khi lựa chọn phương pháp này nên chú ý đến cấu tạo địa chất, áp lực nước ngầm Ngoài ra để bảo đảm tính kinh tế và kĩ thuật nên xem xét chiều sâu lắp đặt, tính chất nguồn nước (U.S EPA, 2001)

Phương pháp xử lí asen được sử dụng nhiều nhất là phương pháp kết tủa asen sau đó cho dòng nước qua lắng, lọc và thử nghiệm trên thế giới là thử nghiệm những phương pháp đạt hiệu quả cao, đặc biệt là phương pháp NF Theo thống kê của EPA vào năm 2002 trong 72 nhà máy xử lí asen có đến 45 nhà máy áp dụng phương pháp keo tụ, 15 nhà máy áp dụng phương pháp hấp phụ, 7 nhà máy áp dụng phương pháp trao đổi ion còn 5 nhà máy còn lại thì áp dụng phương pháp lọc màng và phương pháp thấm hút asen Trong tổng 60 pilot, có 25 pilot áp dụng phương pháp lọc màng, 24 pilot áp dụng phương pháp keo tụ, 8 pilot áp dụng phương pháp hấp phụ

Hộ gia đình

Biểu đồ 2.2: Số lượng áp dụng các công nghệ xử lí nước bị nhiễm Asen

Nguồn: (U.S EPA; 2001)

2.5 Tình hình áp dụng công nghệ xử lí asen một số nơi trên thế giới và ở Việt

Nam

2.5.1 Công nghệ sử dụng cho quy mô hộ gia đình

Phương pháp keo tụ bằng muối sắt (III) clorua và phương pháp lọc qua lớp cát

phủ sắt phù hợp và có hiệu quả cao cho thiết bị xử lí asen ở qui mô hộ gia đình Thiết

bị xử lí bao gồm hai thùng nhựa có dung tích 35 l Hai thùng được khoan lỗ cách đáy 4

cm nối với van bằng một ống nhỏ có đường kính D = 38 mm, thùng phía dưới chứa

lớp cát dày 20 cm Thiết bị vận hành rất đơn giản gồm hai bước Đầu tiên cho 25 l

nước thô vào thùng phía trên, cho thêm sắt (III) clorua (nồng độ 20 mg/l) và KMnO4

vào, tiếp đến khuấy nhanh đều khoảng một phút và khuấy chậm khoảng một phút rưỡi

Sau đó nước được để lắng một tiếng rưỡi tồi mở van cho chảy xuống thùng phía dưới

Nước sau khi qua thùng phía dưới có nồng độ asen khoảng 0,05 mg/l với nồng độ asen

trong nước thô là 0,1 mg/l (Ali và CS, 2001)

Thiết bị xử lí asen bằng phương pháp lọc hấp phụ bằng cát phủ sắt gồm một thùng

chứa nước thô và một cột lọc Hầu hết các mẫu nước thu được sau khi đi qua thiết bị

này đều có nồng độ nhỏ hơn 0,02 mg/l, nồng độ asen lớn nhất thu được là 0,037 mg/l trong 15 thiết bị áp dụng, một số thiết bị có nồng độ asen có thể giảm xuống dưới 0,015 mg/l trong khi nước đầu vào có nồng độ asen là 0,226 mg/l Bên cạnh đó nồng

độ các thành phần khác như Fe, Mn, PO2-4, SiO2, NO3- cũng giảm đáng kể Ưu điểm lớn nhất của thiết bị này là không tốn hoá chất, và vật liệu này được rửa theo định kì Nhược điểm chính là nhanh bị tắc lọc ở lớp cát nhưng với nồng độ sắt vào khoảng 6-7 mg/l, thì hiện tượng tắc lọc nhanh không diễn ra, lớp cát lọc có thể rửa mỗi tháng một lần Yêu cầu của thiết bị này là xem xét chất lượng nước đầu ra thường xuyên sau 8 tháng vận hành nồng độ asen xử lí vẫn chưa đến 0,05 mg/l Tuy vậy, phương pháp này tương đối tốn kém cho lớp vật liệu cát phủ sắt (Ali và CS, 2001)

Thiết bị lọc cát sinh học BSF là công trình có hiệu quả cao, kĩ thuật ít tốn kém được sử dụng để khử asen trong nước ngầm lẫn nước mặt Việc sử dụng BSF góp phần cải thiện cuộc sống của hàng trăm triệu người ở Bangladesh, Ấn Độ, NêPan, Pakistan, Mexico Thiết bị BSF bằng nhựa được chế tạo trên nhiều vùng như Dhanhu (Bangladesh), Calgary, Alberta(Canada), Grand Rapid, Michigan (Hoa Kì) Hiệu quả

xử lí phụ thuộc vào loại cát lọc, thông số thiết kế và sự vận hành Sự vận hành tương

tự như vận hành các bể lọc thông thường nhưng nước nước thô cần phải tiền xử lí bằng hai hoá chất phổ biến và không đắt là NaClO, và Fe2(SO4)3 Bước đầu tiên là cho NaClO vào trong nước và khấy đều đến khi trong trong nước có mùi clo Quá trình này đảm bảo những hợp chất hữu cơ phức tạp và chất hữu cơ không hoà tan sẽ chuyển

về điều kiện dể dàng tiếp xúc với Fe2(SO4)3 Bước thứ hai là cho 600 mg/l Fe2(SO4)3vào trong thùng đó (20 l) và khuấy nhanh Khi cho Fe2(SO4)2 vào nước, lập tức nước

có màu hơi đỏ, để cho nước đứng yên ít nhất là 1tiếng sau đó khuấy lại một lần nữa

Sự khuấy trộn đảm bảo rằng asen có thể bị bắt giữ và khử asen tốt nhất bằng BSF Nước sau đó được phân phối cẩn thận vào thiết bị lọc BSF có thể khử phần màu hồng với hiệu suất khoảng 98% asen và các vi khuẩn gây bệnh không diệt được bằng clo Hiệu quả xử lí của BSF không bị ảnh hưởng bởi các chất hữu cơ không hoà tan trong nước Hầu hết các phương pháp bị ảnh hưởng bởi thành phần này BSF có thể được vận hành liên tục 24 tiếng Nó có thể được làm sạch và không cần phải chi phí cho việc thay thế lớp vật liệu Công suất của một BSF ở một làng ở Bangladesh là 20 l/h BSF có thể khử được cả sắt và và vi khuẩn trong nước Nước thải khi rửa BSF an toàn

và dễ dàng loại bỏ Chi phí 1 thiết bị BSF khoảng tử 300$- 400$ cho một hộ gia đình trong 1 năm và sử dụng đươc 5 năm

Ở nước ta bắt đầu có những nghiên cứu, ứng dụng công nghệ xử lí asen ở qui mô

ở hộ gia đình TS Bùi Quang Cư - Viện CNHH TP.HCM thuộc Viện KHCN Việt Nam

đã nghiên cứu sử dụng quặng pyrolusite để loại bỏ asen trong nước Thành phần chủ yếu của quặng là MnO2 và các thành phần còn lại là hợp chất kim loại khác từ sắt, silic, nhôm Ứng dụng pyrolusite để loại bỏ asen trong nước ngầm thực tế cho thấy sau khi xử lý hàm lượng asen trong nước giảm từ 170 ppb xuống còn dưới 10 ppb (0,01 mg/lít) theo Tiêu chuẩn Việt Nam và đạt tiêu chuẩn cho nước ăn uống Cứ một gam pyrolusite có thể lọc tối đa 0,175 mg asen trong một lít nước Quặng có chứa nhiều tạp chất khác nhau, nên cần phải nghiên cứu kỹ hơn để tránh làm thôi nhiễm nguồn nước sau khi đã lọc sạch asen Ngoài ra, việc xử lý bột quặng có chứa asen vẫn còn đang được nghiên cứu Asen là một chất vô cơ, nên không chuyển biến thành các chất khác Việc xử lý không cẩn thận sẽ trả asen lại vào nguồn nước

Tóm lại các công nghệ xử lí asen áp dụng ở qui mô hộ gia đình đều dựa trên 4 phương pháp xử lí cơ bản trên Tuỳ theo tính chất nước ngầm, điều kiện kinh tế, tập quán của từng vùng mà các công nghệ được lựa chọn khác nhau Qua một số công nghệ được áp dụng ta thấy công nghệ áp dụng ở qui mô hộ gia đình có những ưu điểm sau Thứ nhất là thiết bị đơn giản dễ vận hành Thứ hai là chi phi thấp phù hợp với điều kiện kinh tế của người dân Thứ ba là hiệu quả xử lí khá cao giảm nhiều những tác hại của asen đối với sức khoẻ Tuy những thiết bị này góp phần rất lớn trong việc vải thiện sức khoẻ cho người dân ở những vùng nhiễm asen nhưng còn rất nhiều hạn chế khi sử dụng các thiết bị này Vận hành bằng thủ công sẽ phát sinh nhiếu vấn đế như cho hoá chất không đúng liều lượng, thiết bị không vận hành liên tục sẽ giảm hiệu quả Các chỉ tiêu khác có thể vượt mức tiêu chuẩn Sau một khoảng thời gian sử dụng, hiệu quả xử lí không đảm bảo Chất lượng nước đầu ra không được kiểm soát Khi sử dụng trong một thời gian dài thì tính kinh tế sẽ không cao, tỉ lệ thất thoát lớn hơn so với qui mô lớn hơn Đây chỉ là công nghệ tạm thời giải quyết nhu cầu hiện tại cho nhân dân, nếu xét về lâu dài thì các công nghệ áp dụng nên ở qui mô lớn hơn

2.5.2 Công nghệ sử dụng cho qui mô là một cộng đồng dân cư

Hệ thống xử lí asen Macrolite(R)FM-236-AS ở MN tại Hoa Kì với công trình chính là công trình lọc và lưu lượng thiết kế là 530 l/phút Hệ thống bao gồm hai bể phản ứng, mỗi bể có thể tích là 1,3 m3 nước; hai bể lọc áp lực mỗi bể có thể tích là 1

m3 nước Nồng độ asen tổng trong nước thô dao động từ 0,032 mg/l đến 0,051 mg/l trong đó nồng độ As(III) chiếm ưu thế với nồng độ trung bình 0,035 mg/l Qúa trình oxi hoá bằng clo được áp dụng trong quá trình oxi hoá As(III) thành As(V) và làm kết tủa sắt trong nước trước khi qua bể lọc áp lực Nồng asen trong nước sau xử lí trong hệ thống này nằm trong khoảng từ 0,009 mg/l đến 0,019 mg/l trung bình khoảng 0,014 mg/l asen bị khử Điều này chứng tỏ rằng nộng độ sắt trong nước không đủ lớn để hỗ trợ cho quá trình xử lí asen dưới 0,01 mg/l Nồng độ sắt hoà tan trong nước dao động trung bình là 0,455 mg/l Tỉ lệ giữa sắt hoà tan trong nước và asen hoà tan là 12:1 Sau khi cho thêm FeCl3 với nồng độ của Fe 0,5 mg/l thì nồng độ asen sau khi xử lí trung bình khoảng 0,006 mg/l Tuy nhiên, một lượng sắt đi qua lớp vật liệu Microlite sẽ làm tăng lượng sắt trong nước từ nồng độ bé hơn 0,025 mg/l đến 0,122 mg/l Nước dùng rửa lọc chiếm từ 2,2% đến 2,4% nước sau xử lí Trước khi thêm FeCl3 nồng độ asen trong nước rửa lọc là 0,123 mg/l đến 0,216 mg/l, nồng độ của sắt là từ bé hơn 0,025 mg/l đến 0,399 mg/l Sau khi thêm FeCl3 thì nồng độ asen trong nước rửa lọc là từ 0,0064 mg/l đến 0,0092 mg/l; nồng độ sắt tăng lên từ 0,0273 mg/l đến 0,148 mg/l (Wendy E và Abraham S.C, 2006)

Hệ thống xử lí asen APU-300 ở Queen Anne thuộc Maryland ở Hoa Kì dựa trên phương pháp hấp phụ với vật liệu SORB 33TM Severn Trent Service (STS) Hệ thống bao gồm hai bể, mỗi bể chứa 2,16 m3 lớp vật liệu SORB 33TM Lớp vật liệu này có thành phần chủ yếu là các hạt sắt do hãng Bayer SG sản xuất cho STS Hệ thống thiết

kế với lưu lượng 1,21 m3/phút, thời gian lưu trong mỗi bể hấp phụ là 3,8 phút Hệ thống đã xử lí được khoảng 56155,68 m3 nước Nồng độ asen tổng trong nước thô dao động từ 0,0183 mg/l đến 0,0258 mg/l, nồng động trung bình lá 0,0187 mg/l Sau khi thêm clo trước khi đưa vào bể hấp phụ, nồng asen trong nước sau xử lí đạt được 0,009 mg/l Bởi vì ít có sự thay đổi áp lực trong bốn tháng vận hành và không có nơi để chứa nước rửa lọc cho nên trong 6 tháng hệ thống này chỉ được rửa lọc một lần Nước rửa

lọc này được chứa và được vận chuyển đến nhà máy xử lí nước thải Stevensville xử lí (Jeffrey L và Abraham S.C, 2006)

2.6 Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới

2.6.1 Các xu hướng xoay quanh vật liệu truyền thống

Từ bốn phương pháp xử lí asen nêu trên các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu sâu vào từng quá trình nhằm tối ưu hoá hiệu quả xử lí Các nghiên cứu thường xoay quanh các thiết bị xử lí nhỏ phù với điều kiện kinh tế cũng như các điều kiện tự nhiên sẵn có ở địa phương như vật liệu xử lí, tính chất nguồn nước, tập quán sử dụng nước Các thiết bị này có thể được chế tạo từ những vật liệu sẵn có như thùng chứa nước, cát lọc, than lọc rất thích hợp cho những hộ dân cư ở những nước nghèo Ví dụ như thiết bị KAF (Kanchan Arsenic Filter) do viện Kĩ Thuật hợp tác với tổ chức Sức Khoẻ Cộng Đồng và Môi Trường ở Nepan nghiên cứu dựa trên lớp cát và các thùng nhựa có sẵn ở Nepan (Peter Thomson, 2008) Đối với những nước có điều kiện tốt hơn thì những thiết bị xử dụng để xử lí asen thường là các thiết bị lọc được sản xuất trên thị trường với giá cả và hiệu quả xử lí chấp nhận được Xuất phát từ yêu cầu chất lượng nước ngày càng cao hơn ở các nước phát triển, các chuyên gia thường đầu tư nghiên cứu các phương pháp xử lí asen có hiệu quả cao như phương pháp lọc màng, lọc nano, điện phân trong các thiết bị Ở qui mô lớn hơn các nghiên cứu thường tập trung nghiên cứu khả năng xử lí cũng như hiệu quả xử lí của từng loại hoá chất, từng loại vật liệu có thể sử dụng cho một cơ chế xử lí nào đó Ví dụ như trong quá trình oxi hoá As(III) thành As(V) ở giai đoạn tiền xử lí thì có rất nhiều chất oxi hoá được nghiên cứu như clo, ozon, oxi, penmanganate; trong các chất keo tụ thì hiệu quả xử lí của FeCl3 tốt hơn Al2(SO4)3 hoặc nghiên cứu hiệu quả xử lí của vật liệu hấp phụ bằng nhôm hoạt tính, sắt oxit Việc xác định các giá trị cho yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả rất có ý nghĩa khi ứng dụng vào thực tế Ví dụ như xác định giá trị pH tối ưu cho quá trình keo tụ bằng FeCl3, nồng độ asen thích hợp cho phương pháp lọc

2.6.2 Xu hướng nghiên cứu vật liệu, phương pháp mới

Ngoài việc nghiên cứu các vật liệu truyền thống, các nhà khoa học cũng tìm kiếm nghiên cứu những vật liệu mới, kĩ thuật mới để xử lí asen trong nước có hiệu quả hơn cả về mặt công nghệ và mặt kinh tế Ví dụ như vỏ cam được các nhà khoa học của trường đại học Saga Nhật Bản nghiên cứu dùng làm vật liệu hấp phụ asen nhằm tìm

kiếm một vật liệu rẻ, có sẵn và thân thiên” với môi trường ( Kedar Nath Ghimire và

CS, 2003) Hoặc công nghệ xử lí asen dựa trên qúa trình oxi hoá quang học As(III) thành As(V) nhờ tinh thể TiO2 hấp thụ ánh sáng mặt trời cũng được nghiên cứu nhằm tận dụng được nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên cho quá trình xử lí ( Maria E Pena và CS, 2005) Ngoài ra còn có một số nghiên cứu về phương pháp xử lí mới như phương pháp xử lí asen bằng vi sinh như nghiên cứu xử lí asen và các kim loại khác bằng vi khuẩn khử SO4

(Daniel Teclu và CS, 2008) hoặc sử dụng một số loại vi sinh tích luỹ kim loại để xử lí (Simon Silver, 2000) Dựa trên sự thế chỗ các phân tử photpho lipit trong tế bào do asen khi xâm nhập tế bào, tiến sĩ Lê Quốc Tuấn khoa Công Nghệ Môi Trường, trường đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã có những nghiên cứu khả năng hấp phụ asen bằng tế bào (Lê Quốc Tuấn, 2008)

Tóm lại, tuỳ vào tình hình nhiễm asen trong nguốn nước và điều kiện kinh tế, trình độ kĩ thuật của từng nước từng khu vực mà có các xu hướng nghiên cứu khác nhau về công nghệ xử lí asen trong nước nhưng mục tiêu chung của các nghiên cứu là

xử lí nước nhiễm asen để nâng cao chất lượng cuộc sống của con người

2.7 Tổng quan các quá trình áp dụng cho các công nghệ xử lí asen

2.7.1 Quá trình oxi hoá

Asen tồn tại trong nước ngầm hầu hết ở dạng As(III) và As(V), quá trình hấp phụ, trao đổi ion có hiệu quả rất thấp đối với As(III), cao đối với As(V) vì vậy yêu cầu oxi hoá As(III) thành As(V) là điều kiện quyết định đến hiệu quả xử lí asen As (III) dễ dàng bị oxi hoá bởi các tác nhân oxi hoá như Clo, KMnO4, O3…nhưng rất chậm đối với O2 trong tự nhiên (thời gian oxi hoá có thể mất đến nhiều ngày) (Pierce and Moore, 1982)

Tỉ lệ phản ứng giữa chất oxi hoá và ion cần oxi hoá được xác định theo bảng sau:

Bảng 2.1: Tỉ lệ phản ứng của chất oxi hoá vá chất bị oxi hoá

Nguồn: Ganesh Ghurye và Dennis Clifford, 2001

SR: Tỉ lệ gam giữa chất oxi hoá và ion chất bị oxi hoá

(1): SR để chuyển S2- thành S0

(2): SR để chuyển S2- thành SO4

2-

(3): SR oxi hoá khi trao đổi 1 electron

(4 ): SR oxi hoá trao đổi 5 electron

2.7.1.1 Oxi hoá bằng Clorine

Phương trình phản ứng: H3AsO3 + NaOCl → H2AsO-4 + Na+ + Cl- + H+

Với nồng độ asen nước thô là 0,05mg/l thì PH tốt cho quá trình oxi hoá từ 6,3 – 8,3 Ở

pH = 6,3 quá trình diễn ra chậm hơn nhưng thời hoàn thành phản ứng là 39 giây Qúa trình diễn ra trong một thời gian ngắn Yếu tố nhiệt độ và nồng độ ion sắt, mangan trong nước ít ảnh hưởng đến thời gian phản ứng Sunfua và TOC có phần làm chậm đi quá trình oxi hoá nhưng thời gian phản ứng cuối

1,8(1) 0,36(4)

4,21(2)0,85(4)

1,61(1)

Bảng 2.2: Thí nghiệm phản ứng As(III) với clorin

Nguồn: Ganesh Ghurye, Dennis Clifford, 2001

(1): Clorine sử dụng dưới dạng NaOCl

(2): Tỉ lệ Cl2/As(III)

(3): Tỉ lệ Cl2/(AsIII +Ion khử khác)

(4): Thời gian trung bình sau hai lần thí nghiệm

(5): Oxi hoá S2- thành S

IR: Các yếu tố làm giảm hiệu quả oxi hoá

2.7.1.2 Oxi hoá bằng KMnO 4

Qúa trình oxi hoá As(III) bằng KMnO4 diễn ra tốt ở pH từ 6,3 đến 8,3 Tại pH = 6,3 thời gian phản ứng diễn là 33 giây lâu hơn so với pH trong khoảng 6,3 đến 8,3 Thậm chí, As(III) ban đầu lớn thì thời gian phản ứng cũng ngắn Các dạng Mn không tan và Fe(II) trong nước ảnh hưởng không lớn lắm đến quá trình oxi hoá As(III) ở pH

= 8,3, thời gian phản ứng khi có mặt của các nhân tố này là 21 giây hoặc bé hơn Sự có mặt của S2- làm cho thời gian phản ứng chậm hơn nhưng vẫn nhỏ hơn 1 phút Sự có mặt của TOC và nhiệt độ thấp ảnh hưởng ít đến hiệu quả oxi hoá, thời gian phản ứng

Nguồn: Ganesh Ghurye và Dennis Clifford, 2001

(1): MnO4-sử dụng dưới dạng KMnO4

(2): Tỉ lệ KMnO4/As(III)

(3): Tỉ lệ KMnO4/(As(III) +IR)

(4): Thời gian trung bình sau hai lần thí nghiệm

(5): Oxi hoá S2- thành S

Oxi hóa

IR: Các yếu tố làm giảm hiệu quả oxi hoá

2.7.1.3 Oxi hoá bằng ozôn

Ở pH từ 6,3 đến 8,3 không ảnh hưởng đến quá trình oxi hoá bằng ozôn Thời gian phản ứng trong khoảng pH này là 15 giây Mn không hoà tan và Fe(II) ảnh hưởng không lớn đến quá trình oxi hoá As(III) ở pH= 8,3 Sự có mặt của S2- ở nồng độ 1 mg/l – 2 mg/l làm chậm đi quá trình oxi hoá bằng ôzôn, để đạt hiệu quả xử lí trên 95% thì thời gian phản ứng kéo dài từ 51 giây đến 132 giây Sự có mặt của S2- sẽ làm cho quá trình oxi hoá không diễn ra hoàn toàn cả As(III) và S2- Sự có mặt của TOC ảnh hưởng lớn đến quá trình oxi hoá As(III), với 6,9 mg/l TOC thì quá trình oxi hoá diễn ra không hoàn toàn, ở nồng độ thấp hơn để hiệu quả trên 95% thì thời gian phản ứng khoảng 27 giây

Bảng 2.4: Thí nghiệm phản ứng As (III) với O3.

(4): Oxi hoá S2- thành S

(5):Oxi hoá tốt nhất khi TOC = 6,9 mg/ l là 30%

2.7.1.4 Oxi hoá bằng ClO 2

Ở pH từ 6,3 đến 8,3 thì hiệu quả oxi hoá bằng ClO2 asen giới hạn từ 20% đến 30%, sau 21 giây phản ứng thì quá trình oxi hoá không diễn ra nữa Với nồng độ As(III) ban đầu là 0,05 mg/l sau quá trình oxi hoá thì nồng độ As(III) còn lại từ 0,034 đến 0,04 mg/l Nếu cho thêm Clorine sau khi cho ClO2 thì lượng As(III) bị oxi hoá nhanh chóng Với 1,08 ClO2 (1,12 lần tỉ lệ mol theo lí thuyết) để oxi hoá 4 mg/l Fe(II) thì thời gian phản ứng là15 giây Các yếu tố ngăn cản sự hoà tan oxi vào trong nước làm cho cũng là nguyên nhân cho sự oxi hoá không hoàn toàn của quá trình oxi hoá bằng ClO2 DO trong nước và tăng lượng ClO2 ảnh hưởng rất ít đến hiệu quả xử lí, khi tăng ClO2 lên 9 mg/l (100 lần ti lệ mol lí thuyết) thì chỉ khoảng 76% As(III) chuyển thành As(V) trong thời gian 5 phút Sự có mặt của Mn(OH)2 và Fe(OH)3 sẽ làm giảm lượng As(III) sau khi oxi hoá nhờ sự hấp phụ của hidroxit hai kim loại này với As(III)

và As(V)

Bảng 2.5: Thí nghiệm phản ứng As (III) với ClO2

vào

Thời gian oxi hoá(s)(3)

(2): Tỉ lệ ClO2/(As(III) +IR)

(3): Thời gian trung bình sau hai lần thí nghiệm

(4): Trong thí nghiệm 7 nước không chứa SiO2, thí nghiệm 8 chứa SiO2 tự nhiên (5): Oxi hoá hoàn tất sau khi cho thêm Clorine vào

Bức xạ ánh sáng mặt trời oxi hoá asen rất thấp, chỉ khi tăng cường độ bức xạ bằng cách tăng thời gian tiếp xúc với nước và thì hiệu quả mới cao Tuy nhiên hiệu quả xử lí thấp, thậm chí tăng cường độ ánh sang lên thì hiệu quả xử lí cao nhất là 73% Ngoài ra, các phương pháp oxi hoá khác như phương pháp oxi hoá Fenton, oxi hoá điện hoá, oxi hoá quang hoá cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong giai đoạn oxi hoá As(III) thành As(V)

2.7.2 Phương pháp hấp phụ

2.7.2.1 Qúa trình hấp phụ

Qúa trình hấp phụ là quá trình mà các chất bẩn trong dung môi bị hút lên bề mặt của lớp vật liệu hấp thụ Hấp phụ thường xảy ra giữa pha khí và pha rắn, pha lỏng và pha rắn và chất rắn là chất hấp phụ của chất lỏng và chất khí là dung môi chứa chất hấp phụ (P.L Brezonik, 1994)

Hiệu quả xử lí của chất hấp phụ phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc vật lí và cấu trúc hoá học của nó Nhưng chất hấp phụ nào có độ xốp càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao tức là diện tích bề mặt tiếp xúc lớn thì dung lượng hấp phụ lớn Cấu trúc bề mặt và điểm đẳng diện là hai yếu tố quan trong quá trình hấp phụ trong từng môi trường khác nhau, trước khi áp dụng vào thực tiễn trước hết phải kiểm tra vật liệu đó

có khả năng xử lí không căn cứ vào hai yếu tố trên để xác định hiệu quả xử lí của chúng

2.7.2.2 Chất bị hấp phụ

Trong môi trường nứơc chất bị hấp phụ tồn tại dưới nhiều dạng và có nhiều tính chất khác nhau Chúng có thể là phân tử không phân cực hoặc phân cực, phân li mạnh hoặc phân li yếu Việc xác định các cấu tử có vai trò đặc biệc quan trọng trong sự lựa chọn vật liệu để xử lí nước bằng phương pháp hấp phụ và trao đổi ion Ví dụ như ở điều kiện pH thấp thì amoniac tồn tại trong nước và phân li tạo thành cấu tử NH4

+

vì vậy để xử lí chúng ta phải lựa loại vật liệu có thể trao đổi ion với NH4+ (Lê Văn Cát, 2003) Một số chất khi đưa vào trong nước sẽ làm thay đổi pH của môi trường cho nên việc xác định pH sau khi cho các chất này vào môi trường bằng thực nghiệm và tính toán là điều cần thiết trước khi áp dụng vào trong hệ thống

2.7.2.3 Cơ chế hấp phụ

Dựa vào các dạng tồn tại của các chất bị hấp phụ trong môi trường nước mà ta xác định được các cơ chế hấp phụ khác nhau Các cơ chế hấp phụ bao gồm: Hấp phụ các các phân tử trung hoà, hấp phụ các phân tử điện lí yếu, hấp phụ các chất vô cơ hoặc hấp phụ các chất hữu cơ…

2.7.2.4 Giải hấp phụ

Giải hấp phụ là một quá trình ngược lại với quá trình hấp phụ Giải hấp phụ được thực hiện trên nguyên tắc sử dụng các yếu tố bất lợi với hấp phụ Đối với giảm hấp

phụ vật lí thì thông thường có những cách tác động như: Giảm nồng độ chất bị hấp phụ

để thay đổi cân bằng hấp phụ, tăng nhiệt độ làm lệch hệ số cân bằng vì hấp phụ là một quá trình toả nhiệt cho nên khi tăng nhiệt độ môi trường hấp phụ thì sẽ làm yếu đi tương tác của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thay đổi bản chất của hệ thông qua thay đổi pH của môi trường, sử dụng tác nhân hấp phụ mạnh hơn để đẩy các chất đã được hấp phụ trên bề mặt chất rắn

Giải hấp phụ là phương pháp tái sinh chất hấp phụ mang đặc trưng về ý nghĩa kinh tế, nếu chất hấp phụ mà rẽ mà tái sinh tốn kém thì chỉ nên sử dụng một lần rồi bỏ,

vì vậy trước khi tái sinh cần tính toán kĩ về phương diện kinh tế

2.7.3 Ứng dụng phương pháp hấp phụ trong xử lí asen

Tuỳ vào tính chất nguồn nước và mà ta ứng dụng phương pháp hấp phụ phù hợp

để xử lí đạt hiệu quả cao Các phương pháp hấp phụ để xử lí asen thường được nghiên cứu và sử dụng trên thế giới là phương pháp không hoàn nguyên vật liệu hấp phụ và phương pháp trao đổi ion

2.7.3.1 Nhôm hoạt tính

Nhôm hoạt tính là vật liệu dạng hạt, xốp có những tính chất của ion trao đổi

Al2O3 sử dụng làm vật liệu được sản xuất từ phản ứng nhiệt phân Al(OH)3 ở nhiệt độ cao Các hạt nhôm có đường kính từ 0,3 mm đến 0,6 mm và có diện tích bề mặt lớn cho quá trình hấp phụ Trong sản xuất nước uống thì loại vật liệu này được sử dụng để khử các thành phần hữu cơ có trong nước và flo Nước nhiễm asen sẽ được cho qua liên tục qua một hoặc nhiều lớp nhôm hoạt tính dưới một áp lực Các ion khác trong nước ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả xử lí Thứ tự ưu tiên cho các ion bị hấp phụ bởi nhôm hoạt tính như sau:

OH- > H2AsO4- > Si(OH)3O- > F- > HSeO3- > TOC > SO42- > H3AsO3 ( Lili wang

và CS, 2000)

Từ thứ tự ưu tiên trên ta thấy rằng khả năng hấp phụ As(III) của nhôm hoạt tính

là rất yếu, vì vậy yêu cầu oxi hoá As(III) thành As(V) là cần thiết Một vài nghiên cứu

đã cho thấy PH trong khoảng 5,5 đến 6 thì hiệu quả hấp phụ có thể đến 98% khi dung phương pháp này Cột nhôm hoạt tính có thời gian sử dụng ở PH axit (<6)có thời gian làm việc gấp từ 5 đến 20 lần so với khi hoạt động ở pH thông thường (6-9) Tuy vậy nhiều công trình trong thực tế hoạt động với nguồn nước trong điều kiện pH > 6

Trong những trường hợp này cần phải cân bằng giữa chi phí hoá chất cho giai đoạn điều chình pH và giá trị kinh tế hoàn nguyên vật liệu với thời gian vận hành

02000

Mối quan hệ giữa pH và tuổi thọ của nhôm hoạt tính

Biểu đồ 2.3: Ảnh hưởng của Ph lên hiệu quả hoạt động của nhôm hoạt tính

để chống lại sự bê tông hoá trong lớp vật liệu do sử dụng hoá chất khi hoàn nguyên Chính vì vậy mà khi sử dụng lớp vật liệu này thì tốt hơn là không hoàn nguyên Phương pháp thay thế là tái sử dụng nhôm oxit từ quá trình sản xuất nhôm, có thể sử dụng công trình điều chỉnh hoặc không điều chỉnh pH trước công trình hấp thụ Hệ thống xử lí cần có một bể chứa nước rửa ngược và khu vực chứa lớp vật liệu thải bỏ Chất thải từ lớp vật liệu bỏ đi có độ độc cho phép thì có thể được chôn lấp theo chất thải rắn đô thị (Lili Wang, 2000)

pH

2.7.3.2 Phương pháp hấp phụ bằng sắt

Phương pháp hấp phụ bằng sắt trên chất hấp thụ là một phương pháp tiêu biểu để

xử lí asen trong nước Qúa trình hấp phụ được mô tả như quá trình hấp thụ hoá học (Selvin et al, 2000), và tương tự như hấp phụ bằng nhôm hoạt tính, chúng không có quá trình trao đổi ngược Một vài nghiên cứu đã cho thấy rằng ái lực của loại vật liệu này với asen mạnh trong điều kiện pH tự nhiên (6-9) Điều này cho phép tuổi thọ vật liệu lâu hơn mà không cần điều chỉnh pH Tuy vậy, hiệu quả xử lí tối ưu tương tự với nhôm hoạt tính là ở pH thấp Thởi gian tiếp xúc khi hấp phụ bằng sắt tốt là 5 phút Ion

PO43- là một nhân tố cạnh tranh khả năng thâm nhập vào những vị trí hấp phụ với As(V) Nếu tăng nồng độ PO4

từ 0,5 mg/l lên 0,7mg/l thì sẽ giảm khả năng hấp phụ asen do trở lực khoảng 3% (Tumalo, 2002) Trong nhiều nghiên cứu thì vật liệu sau khi sử dụng có độ độc cho phép để chôn lấp với chất thải rắn đô thị

2.7.4 Phương pháp trao đổi ion

2.7.4.1 Qúa trình trao đổi ion

Chất trao đổi ion là chất rắn có gắn các anion, cation có thể trao đổi được với các anion và cation khác trong dung dịch chứa chất điện li

R-Y+ + M+X- R-M+ +X-Y+

R-Y+ + M+X- R-M+ +X-Y+

2.7.4.2 Vật liệu trao đổi ion

Vật liệu được sử dụng để trao đổi ion có thể là loại tự nhiên hoặc tổng hợp có nguồn gốc từ hữu cơ hoặc vô cơ Lớp vật liệu là một nguồn tích lũy ion để trao đổi với các ion bên ngoài, chất trao đổi ion thường là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện của nhóm chức có định và của ion linh động

có thể trao đổi được

2.7.5 Ứng dụng phương pháp trao đổi ion trong xử lí asen

Trao đổi ion là phương pháp hoá lí dự trên sự trao đổi ion giữa pha lỏng chứa chất hoà tan và pha rắn của các hạt nhựa Các hạt nhựa là loại hidrocacbon có khả năng đàn hồi chứa một lượng lớn các phần có thể tạo ra các ion mang điện tích Những ion được trao đổi này là những ion có đện tích tương tự như những ion hoà tan trong nước có ái lực lớn hơn so đối với những hạt nhựa này Trong xử lí nước uống thì

phương pháp này được sử dụng phổ biến cho làm mềm nước và xử lí NO3

trong nước Nước nhiễm asen sẽ được cho chảy liên tục qua một cột hoặc nhiều cột chứa nhựa trao đổi ion Một qui trình xử lí thông thường cho phương pháp này theo sơ đồ sau:

-Oxi hoá Lọc

ion

Tác nhânoxi hoá

Nước sửdụng

Nướcthải Tác nhân

tái tạoChất thải

Sơ đồ 2.1: Qui trình xử lí asen bằng phương pháp trao đổi ion

Nguồn: USPA, 2007

Asen(V) có thể được trao đổi với các anion bazơ mạnh (ở dạng cloride và dạng hidroxit) Loại hạt nhựa này không nhạy trong pH từ 6.5 đến 9 (USPA, 2000; Clifford

et al, 1998)

Thứ tự ưu tiên cho sự trao đổi như sau (Clifford và CSl, 1999):

SO42- > HAsO42-> NO32-, CO32->NO2->Cl

-Nồng độ cao của tổng rắn không hoà tan trong nước ảnh hưởng lên hiệu quả xử lí của hệ thống Thông thường hệ thống xử lí bằng phương pháp trao đổi ion này có hiệu quả kinh tế thấp nếu như nguồn nước ngầm chứa trên 500 mg/l tổng rắn không hoà tan (Lili Wang và CS, 2000) và trên 50 mg/l sunphat (Kempic, 2002) Mối quan hệ giữa

SO42- và hiệu quả xử lí của vật liệu trao đổi ion như biểu đồ sau: