N.V.Anh-Xu ly nuoc cap-Xu ly Asen

Các dạng hợp chất hữu cơ của arsen thường ít độc hơn so với các hợp chất arsen vô cơ... Khi bị nhiễm độc Arsen dạng hợp chất vô cơ qua đường miệng: l sự xuất hiện các vết m u đen v sáng

Một số công nghệ xử lý Arsen

PGS TS Nguyễn Việt Anh Trung tâ ââ â ââ â m K KK K KK K thuậ ậậ ậ ậậ ậ tttt môi i i i trường đô thị vv v v vv v khu công nghiệ ệệ ệ ệệ ệ pp p pp p

(CEETIA), Trường Đạ ạạ ạ ạạ ạ i i i i học XX X XX X X ââ â ââ â y d ng

Giới thiệu về arsen?

Arsen l nguyên tố hình th nh tự nhiên trong vỏ Trái đất Các hợp chất arsen vô cơ:

Arsenat (As(V), arsenite (As(III), arsenic sulfide (HAsS2), arsen nguyên tố (As 0 ) v arsen 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 arsen vô cơ

bị khử, như H3AsO3, H2AsO3- , HAsO32- , AsO33- Các hợp chất arsen hữu cơ: (CH3)2AsO(OH),

C6H5AsO(OH)2, vv

Các dạng hợp chất hữu cơ của arsen thường ít độc hơn so với các hợp chất arsen vô cơ.

Trong MT khử (lòng đất):

VK kỵ khí (Methanogenic bacteria) khử As(V) sang

As (III) v Metyl hoá chúng, tạo nên Methylarsenic acid CH3AsO(OH)2 hay Dimethyl arsenic acid (cacodylic) (CH3)2AsO(OH) Những chất n y có thể

được Methyl hoá tiếp tạo Trimethylarsine bay hơi rất

độc v Dimethylarsine (III) rất độc

Giới thiệu về arsen?

Nồng độ các hợp chất Arsenat As(IV) trong nước ngầm phụ thuộc v5p pH

Arsen tồn tại phổ biến trong môi trường xung quanh,

v mọi người đều tiếp xúc với một lượng nhỏ của chúng

Con đường thâm nhập chủ yếu của arsen v o cơ thể

l qua đường thức ăn (trung bình 25 - 50 ug/ngđ), ngo i ra còn một lượng nhỏ qua nước uống v không khí Một số lo i cá v thuỷ sản dùng l m thực phẩm chứa arsen cao hơn bình thường, nhưng lượng arsen

n y thường tồn tại dưới dạng hợp chất arsen hữu cơ ít

độc

As trong tế b o thực vật: 0,01 5 ppm / trọng lượng khô.

Thực vật biển: nhiều As hơn Tảo biển, tảo nâu: 94 ppm.

Tế b o người: < 0,3 ppm.

Tôm cá biển: 120 ppm/trọng lượng khô.

Công dụng:

Sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ (cả arsen hữu cơ v arsen vô cơ)

Bảo quản gỗ

(Thuốc nhuộm, sơn.) Luyện kim (tăng độ cứng của đồng);

Gốm v thuỷ tinh, Bán dẫn, Điện tử, Y học, Hoá chất, vv

Trước kia, các hợp chất arsen vô cơ: sơn, thuốc nhuộm, bả chuột, thuốc chữa một số bệnh truyền nhiễm như hen, vảy nến,

Nhiều vùng trên thế giới đang bị ô nhiễm hay

có dấu hiệu bị ô nhiễm arsen trong nước ngầm với h m lượng cao, như ấn độ, Bangladesh, Mông cổ, Đ i loan, Ghana, Achentina, Chilê,

97% dân số Bangladesh (116 triệu người)

đang sử dụng nước ngầm l m nguồn nước cấp cho sinh hoạt Trong số đó có tới 77 triệu người sử dụng nguồn nước có chứa arsen với

h m 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

Arsen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế n5o?

Một lượng lớn Arsen 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 Arsen thâm nhập qua miệng: đau rát hệ thống tiêu hóa, buồn nôn, nôn mửa v tiêu chảy Ngo i ra

có thể bị giảm lượng hồng cầu v 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 v o lòng b n chân v tay

Arsen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế n5o?

Khi bị nhiễm độc Arsen dạng hợp chất vô cơ qua

đường miệng: l sự xuất hiện các vết m u đen v sáng trên da, những “hạt ngô” nhỏ trong lòng b n tay, lòng b n chân v trên mình nạn nhân Nếu không

được chữa trị đúng cách v kịp thời, những hạt nhỏ

n y có thể sẽ biến chứng gây ung thư da

Arsen còn tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể, nhất l ở gan, thận, b ng quang v phổi

Nhiễm độc các hợp chất Arsen vô cơ qua đường hô hấp: đau nhẹ đến đau nhức da, mắt, miệng, , bệnh ung thư phổi

Ô nhiễm arsen qua đường hô hấp với nồng độ khoảng 200 ug/m3 thường gây đau rát mũi, họng v

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

Arsen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế n5o?

US EPA: với lượng tiếp nhận h ng ng y 1 ug/kg.ngđ (khoảng 50 - 100 ug đối với người lớn) trong thời gian

d i có thể dẫn tới nguy cơ ung thư da với xác suất 0.1% (1/1000) Lượng n y tương đương với sử dụng nước nguồn ô nhiễm arsen với h m lượng 25 - 50 ug/l trong một đời người

Hít thở thường xuyên không khí chứa 1ug/m3 arsen

có thể dẫn đến ung thư với xác suất khoảng 0.4% (4/1000)

Arsen có ảnh hưởng tới sức khỏe con người như thế n5o?

Nồng độ giới hạn cho phép của arsen trong nước uống (TCVN): 10 ug/l

WHO: đs hạ thấp nồng độ giới hạn cho phép của Arsen trong nước cấp uống trực tiếp xuống 10 ug/l.

US EPA, EU: hướng tới 2 - 20 ug/l

Đức: 10 ug/l từ 1/1996 (Driehaus W v nnk, 1998).

Các công nghệ xử lý arsen

trong nước ngầm

Các nhóm giải pháp công nghệ chủ yếu:

• Tạo kết tủa - Lắng

• Keo tụ - Lắng

• Lọc

• Hấp phụ

• Ôxy hoá

• Lọc m ng

• Oxy hoá quang năng, …

• Có nhiều giải pháp công nghệ rẻ tiền, thậm chí không tốn kém chi phí Các giải pháp tạm thời, rẻ tiền thường không đáp ứng

được tiêu chuẩn của WHO (10 ppb) Cần thiết phải sử dụng những giải pháp d i hạn, hay sử dụng kết hợp một số công nghệ.

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

1 Tạo kết tủa , Lắng

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) ho tan Khi gặp oxy, sẽ được oxy hoá v tạo th nh chất kết tủa Các hợp chất của Arsen có khả năng hấp phụ lên các ‘’bông’’ kết tủa đó

(Phương pháp cộng kết tủa)

Các trạm xử lý nước ngầm chứa sắt thường được thiết

kế theo công nghệ l m thoáng - lắng - lọc Những trạm n y cũng khử được arsen m không dùng hoá chất keo tụ

2 Keo tụ

Dùng các chất keo tụ, như các muối của Sắt hoặc Nhôm (phèn), chuyển arsen từ dạng tan sang dạng không tan nhờ phản ứng hoá học, sau đó tách ra khỏi nước nhờ lắng hoặc lọc

- Có thể phải oxy hoá sơ bộ v /hoặc điều chỉnh pH

- Xử lý cặn thải chứa arsen từ quá trình keo tụ?

2 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 arsen với 3 loại phèn keo tụ khác nhau: FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3: FeCl3 cho phép

đạt hiệu suất khử arsen cao nhất: > 90 %

3 lọc

- Vật liệu thông thường: cát, than antraxit, than hoạt tính dạng hạt,

- Vật liệu rẻ tiền ở địa phương: vải, than, sơ dừa ép, xơ mướp, sỏi nhỏ,

4 Hấp phụ:

Arsen 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 đs 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

v 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 arsen

– Dùng mạt sắt (Fe hoá trị 0)

Fe = 2000 mg/l Hiệu suất luôn đạt > 93%

Sự có mặt của Sulffat l m tăng hiệu suất xử lý, trong khi Phosohate lại l m ức chế

t = 12 h 3,5 ngđ

O Oxyt nhôm kim loại hoạt hoá

Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ nhôm,

có khả năng tách arsen ở 2 dạng tồn tại phổ biến

ở trong nước l As (III) v As(V):

PEI's Aqua-BindTM - Arsenic

Nhôm hoạt hoá có tính lựa chọn cao đối với As(V) Cần tính đến khả năng ho n nguyên v thay thế vật liệu lọc khi sử dụng

H m lượng sắt trong nước nguồn c ng cao, hiệu suất khử arsen v chu kỳ l m việc giữa hai lần ho n nguyên c ng tăng

Hạn chế: lượng vật liệu hấp phụ thải ra lớn: 50 - 200

g / m3 nước (gấp gần 10 lần so với lượng cặn tạo

th nh khi sử dụng phương pháp keo tụ bằng phèn sắt)

Nhôm hoạt hoá

Công nghệ giảm thiểu arsen AsRT: Cột 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 l Sulfat bari v cát thạch anh

- Cột thứ hai với vật liệu lọc l mạt sắt v cát thạch anh

- Sắt bị oxy hoá, tạo môi trường thiếu khí (anoxic) đối với arsen (trong điều kiện thiếu oxy) Mạt sắt (`các Ion sắt hoá trị 0), khử arsen vô cơ th nh dạng kết tủa cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với sulfat tạo Pyrit arsen Arsen trong nước được giữ lại trong cột lọc Arsen trong nước sau xử lý đạt dưới 27 ppb

Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát

Hydroxyt sắt

• Vật liệu hấp phụ: bột giấy báo có phủ một lớp Hydroxyt sắt (III) (Giấy báo cắt vụnđược trộn với khoáng chất Blender v nghiền nhỏ th nh bột Sau đó trộn với hydroxyt sắt v khuấy đều, l m hydroxyt sắt bám v o các sợixellulo)

Hydroxyt sắt dạng hạt: cột hấp phụ của Driehaus Vật liệu n y có khả năng hấp phụ cao:

Nồng độ arsen trong nước trước xử lý 100 – 180 ppb, sau xử lý đạt < 10 ppb

Laterite

Đất sét có m u đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới

Th nh phần chủ yếu của Laterite l các Hydroxyt Sắt

v Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nước của chúng, v một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan ở

điều kiện tự nhiên, loại đất sét n y 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 v o nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng l m vật liệu hấp phụ trong

bể lọc

5 Trao đổi Ion

Anion axit mạnh (Cl-): chuyển gốc arsenate H2AsO4

-sang arsenate H2AsO42- Arsen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb

Ho n nguyên: NaCl

6 Oxy hoá

L m thoáng bằng cách sục không khí v o nước, có thể oxy hoá arsen v sắt có trong nước, tạo chất kết tủa FeAsO4

L m thoáng đơn giản v lắng: arsen sẽ được tách cùng với Hydroxyt Sắt kết tủa Hiệu suất xử lý đạt 25% đối với nước ngầm chứa nhiều sắt

Phản ứng oxy hoá quang hoá nhờ năng lượng bức xạ (SORAS): oxy hoá quang hoá As(III) th nh As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó ách As(V) ra khỏi nước nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III)

- Tăng cường hiệu suất nhờ nhỏ thêm v i giọt chanh, giúp cho quá trình tạo các bông keo Fe(III)

H m lượng sắt trong nước ngầm ít nhất 3 mg/l, cường

độ bức xạ UV-A 50 Wh/m2

Advantage: aeration assures oxygen saturation for

iron oxidation Disadvantage: construction requires special material

and skills, higher costs not yet widespread in Northern Vietnam

Filter design: aeration step

7 Oxy quang hoá

Loại bỏ Arsenite (As(III)) v cả các chất ho tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách

đưa chất oxy hoá v chất hấp phụ quang hoá: chiếu tia cực tím v o nước rồi sau đó lắng Chất oxy hoá có thể l oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụ quang hoá có thể l Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời l m nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng v ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hoá th nh 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 l các chât oxy hoá n y (Khoa G.H., Emett M.T et al, 1997)

8 Chưng cất bằng năng lượng mặt trời

Phương pháp n y sử dụng năng lượng mặt trời để

l m bốc hơi nước, sau đó cho nước ngưng tụ lại Quá trình bay hơi v ngưng tụ nước sẽ tách tất cả các chất, trong đó có cả arsen ra khỏi nước

- ở các nước vùng nhiệt đới, với nguồn năng lượng mặt trời sẵn có

9 Lọc m"ng

Có nhiều loại m ng lọc được sử dụng như vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc v lọc nano

Arsenic removal by biofilter

10 Ph−¬ngph¸psinhhäc–södông biofilter& iron oxidysingbacteria