Bài giảng Công nghệ xử lý nước: Xử lý chất đặc biệt trong nước cung cấp cho người học các kiến thức về xử lý asen trong nước bao gồm: Định nghĩa asen, các công nghệ xử lý asen trong nước ngầm. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1xử lý các chất đặc biệt
trong nước
PGS TS Nguyễn Việt Anh
Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường,
Trường đại học Xây dựng
Xử lý Asen
1 Giới thiệu về Asen
Asen là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ Trái đất.
- Arsenat (As(V), arsenite (As(III), arsenic sulfide (HAsS2), asen nguyên tố (As0) và asen ở dạng khí Arsine AsH3 (As(-III))
- Các hợp chất Arsenate (As(V): H3AsO4, H2AsO4-, HAsO4 2-, AsO43-
- Các hợp chất Arsenite (As(III): Các hợp chất asen vô cơ bị khử, như H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-, AsO33-
Các hợp chất asen hữu cơ: (CH3)2AsO(OH),
C6H5AsO(OH)2, vv
Các dạng hợp chất hữu cơ của asen thường ít độc hơn so với các hợp chất asen vô cơ
Trong MT khử (trong lòng đất):
VK kỵ khí (Methanogenic bacteria) khử As(V) sang
As (III) và Metyl hoá chúng, tạo nên Methylarsenic acid CH3AsO(OH)2 hay Dimethyl Arsenic Acid (cacodylic) (CH3)2AsO(OH)
Những chất này có thể được Methyl hoá tiếp tạo Trimethylarsine bay hơi rất độc và Dimethylarsine (III) rất độc
trong nước ngầm phụ thuộc vàp pH
Asen tồn tại phổ biến trong môi trường xung quanh,
và mọi người đều tiếp xúc với một lượng nhỏ của chúng
Con đường thâm nhập chủ yếu của asen vào cơ thể
là qua đường thức ăn (trung bình 25 - 50 ug/ngđ),
ngoài ra còn một lượng nhỏ qua nước uống và không khí Một số loài cá và thuỷ sản dùng làm thực phẩm chứa asen cao hơn bình thường, nhưng lượng asen này thường tồn tại dưới dạng hợp chất asen hữu cơ ít
độc
As trong tế bào thực vật: 0,01 - 5 ppm / trọng lượng khô.
Thực vật biển: nhiều As hơn Tảo biển, tảo nâu: 94 ppm.
Tế bào người: < 0,3 ppm.
Công dụng:
Sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ (cả asen hữu cơ và asen vô cơ)
Bảo quản gỗ
(Thuốc nhuộm, sơn.)
Luyện kim (tăng độ cứng của đồng);
Gốm và thuỷ tinh, Bán dẫn, Điện tử, Y học, Hoá chất, vv
Trước kia, các hợp chất asen vô cơ: sơn, thuốc nhuộm, bả chuột, thuốc chữa một số bệnh truyền
Trang 2As(III) As(V)
Nhiều vùng trên thế giới đang bị ô nhiễm hay có dấu hiệu bị ô nhiễm asen trong nước ngầm với hàm lượng cao, như ấn độ, Bangladesh, Mông cổ, Đài loan, Ghana, Achentina, Chilê,
97% dân số Bangladesh (120 triệu người) đang sử dụng nước ngầm làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt
Trong số đó có tới 77 triệu người sử dụng nguồn nước
có chứa asen với hàm lượng cao
Max n
Country n natural
a anthropogenic
m mine waste
mg/L
People
at risk
Nepal
Laos Cambodia Pakistan
Thailand Sumatra
3.6 n 11 Mio.?
Vietnam
0.4 n 10 Mio.
USA Arsenic in groundwater worldwide
Asen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế nào?
Một lượng lớn Asen có thể gây chết người
Mức độ ô nhiễm nhẹ hơn có thể dẫn đến thương tổn các mô hay các hệ thống của cơ thể
Khi Asen thâm nhập qua miệng: đau rát hệ thống tiêu hóa, buồn nôn, nôn mửa và tiêu chảy Ngoài ra có thể bị giảm lượng hồng cầu và bạch cầu trong máu, rối loạn tim mạch, tổn thương mạch máu, suy gan, thận, rối loạn thần kinh, gây cảm giác như bị gai đâm vào lòng bàn chân và tay
Asen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế nào?
Khi bị nhiễm độc Asen dạng hợp chất vô cơ qua
đường miệng: là sự xuất hiện các vết màu đen và sáng trên da, những “hạt ngô“ nhỏ trong lòng bàn tay, lòng bàn chân và trên mình nạn nhân Nếu không được chữa trị đúng cách và kịp thời, những hạt nhỏ này có thể sẽ biến chứng gây ung thư da
Asen còn tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể, nhất
là ở gan, thận, bàng quang và phổi
Nhiễm độc các hợp chất Asen vô cơ qua đường hô
hấp: đau nhẹ đến đau nhức da, mắt, miệng, , bệnh ung thư phổi
Ô nhiễm asen qua đường hô hấp với nồng độ khoảng
200 ug/m3thường gây đau rát mũi, họng và da nơi tiếp xúc
Bị nhiễm độc ở mức cao hơn sẽ có những triệu chứng tương tự như ô nhiễm mạn tính qua đường miệng ở mức trung bình
Asen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế nào?
US EPA: với lượng tiếp nhận hàng ngày 1 ug/kg.ngđ
(khoảng 50 - 100 ug đối với người lớn) trong thời gian
dài có thể dẫn tới nguy cơ ung thư da với xác suất 0.1% (1/1000) Lượng này tương đương với sử dụng
nước nguồn ô nhiễm asen với hàm lượng 25 - 50 ug/l
trong một đời người
Hít thở thường xuyên không khí chứa 1ug/m3asen có thể dẫn đến ung thư với xác suất khoảng 0.4%
(4/1000)
Asen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế nào?
Trang 3WHO: nồng độ giới hạn cho phép của Asen trong
nước cấp uống trực: 10 ug/l.
US EPA, EU: hướng tới 2 - 20 ug/l.
Việt Nam: nồng độ giới hạn cho phép của Asen trong nước cấp:
Ăn uống: 10 ug/l (QCVN 01:2009/BYT).
Sinh hoạt, cấp nước tập trung: 10 ug/l (QCVN
02:2009/BYT, Giới hạn I).
Sinh hoạt, cấp nước tại chỗ hộ gia đình: 50 ug/l (QCVN
02:2009/BYT, Giới hạn II).
2 Các công nghệ xử lý asen trong nước ngầm
Các nhóm giải pháp công nghệ chủ yếu:
• Tạo kết tủa - Lắng
• Keo tụ - Lắng
• Lọc
• Hấp phụ
• Ôxy hoá
• Lọc màng
• Oxy hoá quang năng, “
Quy mô nhỏ: tập trung vào các giải pháp công nghệ đơn giản, chi phí thấp.
Nhìn chung, các giải pháp tạm thời, chi phí thấp thường không
đáp ứng được tiêu chuẩn của WHO (10 ppb) Cần thiết phải sử dụng những giải pháp dài hạn, hay sử dụng kết hợp một số công nghệ.
2.1 Tạo kết tủa - Lắng - lọc
Nguyên tắc: tạo các chất kết tủa với các ion tan trong dung dịch
Sắt thường tồn tại trong nước ngầm ở dạng Hydro cacbonat Sắt (II) hoà tan Khi gặp oxy, sẽ được oxy hoá và tạo thành chất kết tủa Các hợp chất của Asen có khả năng hấp phụ lên các ““bông““ kết tủa đó (Phương pháp cộng kết tủa)
Tách khỏi nước nhờ Lắng và Lọc
Các trạm xử lý nước ngầm chứa sắt thường được thiết
kế theo công nghệ làm thoáng - lắng - lọc Những trạm này cũng khử được asen mà không cần dùng hoá chất keo tụ
Cơ chế quá trinh xử lý Asen
In solution
iron oxidation iron coagulation arsenic oxidation arsenic co-precipitation
In sand filter
iron oxidation iron precipitation on sand arsenic oxidation arsenic co-precipitation
2.2 Keo tụ - lắng - lọc
Dùng các chất keo tụ, như các muối của Sắt hoặc Nhôm (phèn), chuyển Asen từ dạng tan sang dạng không tan nhờ phản ứng hoá học, sau đó tách ra khỏi nước nhờ lắng và/hoặc lọc
Có thể phải oxy hoá sơ bộ và/hoặc điều chỉnh pH.
Xử lý cặn thải chứa arsen từ quá trình keo tụ?
Phèn Sắt thường cho hiệu quả xử lý cao hơn so với cùng một lượng phèn Nhôm, độ dao động pH cho phép lớn hơn
So sánh hiệu quả khử Asen với 3 loại phèn keo tụ khác nhau: FeCl 3 , FeSO 4 , Al 2 (SO 4 ) 3 :
FeCl cho phép đạt hiệu suất loại bỏ Asen cao nhất: > 90 %.
2.3 lọc
Vật liệu lọc thông thường: cát, than antraxit, than hoạt tính dạng hạt,
Vật liệu lọc rẻ tiền ở địa phương: vải, than, sơ dừa
ép, xơ mướp, sỏi nhỏ,
Trang 42.4 Hấp phụ:
Asen có thể được hấp phụ lên bề mặt của các vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xellulo như: Than hoạt tính; than hoạt tính đã xử lý bằng một số hợp chất kim loại; các hợp chất oxyt sắt, oxyt titan, oxyt silic; sét khoáng (caolanh, bentonite, ); boxit, hematite, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; chitin
và chitosan; bone char; cát bọc một lớp oxyt sắt hoặc dyoxit mangan MnO2; các vật liệu xellulo (mùn cưa, bột giấy báo), vv
Hiệu suất xử lý tăng nếu sử dụng các chất oxy hoá hỗ trợ quá trình hấp phụ asen.
Dùng mạt sắt (Fe hoá trị 0)
Fe = 2000 mg/l Hiệu suất luôn đạt > 93%
Sự có mặt của Sulffat làm tăng hiệu suất xử lý, trong khi Phosohate lại làm ức chế
t = 12 h 3,5 ngđ
dùng O dùng Oxyt nhôm kim loại hoạt hoá
có khả năng tách Asen ở 2 dạng tồn tại phổ biến
ở trong nước là As (III) và As(V)
(Aqua-Bind TM , vv.)
Nhôm hoạt hoá có tính lựa chọn cao đối với As(V)
Cần tính đến khả năng hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng
Hàm lượng sắt trong nước nguồn càng cao, hiệu suất khử asen và chu kỳ làm việc giữa hai lần hoàn nguyên càng tăng
Hạn chế: lượng vật liệu hấp phụ thải ra lớn: 50 - 200
g / m3nước (gấp gần 10 lần so với lượng cặn tạo thành khi sử dụng phương pháp keo tụ bằng phèn sắt)
Công nghệ AsRT: Lọc với vật liệu hấp phụ bằng mạt sắt trộn lẫn với cát thạch anh
Hệ thống bao gồm 2 cột lọc nối tiếp
- Cột thứ nhất với vật liệu lọc là Sulfat Bari và cát thạch anh
- Cột thứ hai với vật liệu lọc là mạt sắt và cát thạch anh
Sắt bị oxy hoá, tạo môi trường thiếu khí (anoxic) đối với Asen (trong điều kiện thiếu oxy) Mạt sắt (= các Ion sắt hoá trị 0) khử Asen vô cơ thành dạng kết tủa cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với Sulfat tạo Pyrit Asen Asen được giữ lại trong cột lọc Arsen trong nước sau xử lý đạt dưới 27 ppb
Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát
dùng Hydroxyt sắt
Vật liệu hấp phụ: bột giấy báo có phủ một lớp Hydroxyt sắt (III) (Giấy báo cắt vụn được trộn với khoáng chất Blender và nghiền nhỏ thành bột Sau
đó trộn với hydroxyt sắt và khuấy đều, làm hydroxyt sắt bám vào các sợi xellulo)
Vật liệu phấp phụ Hydroxyt sắt dạng hạt (Driehaus,
Đức) Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao:
Nồng độ arsen trong nước trước xử lý 100 – 180 ppb, sau xử lý đạt < 10 ppb.
dùng Laterite
Là loại đất sét có màu đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới
Thành phần chủ yếu của Laterite là các Hydroxyt Sắt
và Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan
ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang
điện tích âm như Arsenic
Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như
chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc
Trang 52.5 Trao đổi Ion
Anion axit mạnh (Cl-): chuyển gốc arsenate H2AsO4 -sang arsenate H2AsO42-
Asen sau xử lý có thể đạt dưới 2 ppb
Hoàn nguyên: NaCl
2.6 Oxy hoá
Làm thoángbằng cách sục không khí vào nước, có thể oxy hoá asen và sắt có trong nước, tạo chất kết tủa FeAsO4
Làm thoáng đơn giản và lắng: Asen sẽ được tách cùng với Hydroxyt Sắt kết tủa Hiệu suất xử lý đạt 25% đối với nước ngầm chứa nhiều sắt
Advantage: aeration assures oxygen saturation for
iron oxidation
Disadvantage: construction requires special material
and skills, higher costs
2.7 Oxy hóa quang hoá
Loại bỏ Arsenite (As(III)) và cả các chất hoà tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách
đưa chất oxy hoá và chất hấp phụ quang hoá
Chiếu tia cực tím vào nước rồi sau đó lắng.
Chất oxy hoá có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí
Chất hấp phụ quang hoá có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II)
Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím
Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng và
ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp
Do As(III) bị oxy hoá thành As(V) với tốc độ rất chậm,
có thể sử dụng các chất oxy hoá mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chi phí xử lý chính là các chât oxy hoá này (Khoa G.H., Emett M.T et al, 1997).
Phương pháp SORAS
Phản ứngoxy hoá quang hoánhờ năng lượng bức xạ (SORAS): oxy hoá quang hoá As(III) thành As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As(V) ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III)
“Tăng cường hiệu suất nhờ nhỏ thêm vài giọt chanh, giúp cho quá trình tạo các bông keo Fe(III).
Hàm lượng sắt trong nước ngầm ít nhất 3 mg/l, cường
độ bức xạ UV-A 50 Wh/m2
Trang 62.8 Chưng cất bằng năng lượng mặt trời
Phương pháp này sử dụng năng lượng mặt trời để làm bốc hơi nước, sau đó cho nước ngưng tụ lại Quá
trình bay hơi và ngưng tụ nước sẽ tách tất cả các chất, trong đó có cả Asen ra khỏi nước
áp dụng tốt ở các nước vùng nhiệt đới, với nguồn năng lượng mặt trời sẵn có
2.9 Lọc màng
Có nhiều loại màng lọc được sử dụng như vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc và lọc nano
Arsenic removal by biofilter - With Iron oxidyzing bacteria
2.10 Phương pháp sinh học