Nghiên cứu xử lý asenic trong nước ngầm bằng quá trình keo tụ tạo bông kết hợp với lọc màng MF (0 1um)

Trong đề tài nghiên cứu này, tôi sử dụng mô hình giàn mưa kết hợp với keo tụ tạo bông và lọc màng MF0,1µm là công nghệ kết hợp 3 quá trình oxy hóa AsIII thành AsV, loại bỏ As bằng quá tr

-

NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ASENIC TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ TẠO BÔNG KẾT HỢP

VỚI LỌC MÀNG MF (0,1µm)

Chuyên ngành : Công nghệ môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC

Cán bộ chấm nhận xét 1:… ………

Cán bộ chấm nhận xét 2:….………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày …tháng… năm…

Tp.HCM, ngày 20 tháng 07 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH TUẤN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/ 03/ 1984 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG MSHV: 02507628

I- TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ASENIC TRONG NƯỚC NGẦM BẰNG QUÁ TRÌNH KEO TỤ TẠO BÔNG KẾT HỢP VỚI LỌC MÀNG MF(0,1µm)

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Nhiệm vụ: Nghiên cứu khả năng xử lý Asenic trong nước ngầm thông qua quá trình keo tụ tạo bông và lọc màng MF (0,1µm).

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô khoa Môi Trường trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đã truyền đạt kiến thức cho tôi trong những năm học tập tại trường Đặc biệt là Thầy Nguyễn Văn Phước đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn

Cám ơn quý thầy cô đã quan tâm dành thời gian nhận lời phản biện khoa học cho đề tài này

Cám ơn các bạn cùng khóa K2007 đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án tốt nghiệp này

Tp Hồ Chí Minh, 07/ 2009

Nguyễn Minh Tuấn

Ô nhiễm Asenic trong nước ngầm là thực trạng diễn ra nhiều nơi trên thế giới trong đó có cả Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh phía Bắc, đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Điều đó đã gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người dân và chất lượng cuộc sống Vì vậy, việc nghiên cứu các biện pháp xử lý Asenic trong nước ngầm là rất cần thiết Hiện nay trên thế giới và cả ở Việt Nam có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để loại bỏ Asenic trong nước ngầm

Trong đề tài nghiên cứu này, tôi sử dụng mô hình giàn mưa kết hợp với keo

tụ tạo bông và lọc màng MF(0,1µm) là công nghệ kết hợp 3 quá trình oxy hóa As(III) thành As(V), loại bỏ As bằng quá trình keo tụ tạo bông, sau đó nước được qua quá trình lọc màng MF(0,1µm) để xử lý tiếp tục As còn lại trong nước đến tiêu chuẩn

Các kết quả nghiên cứu trên mô hình pilot cho thấy mô hình oxy hóa giàn mưa kết hợp với keo tụ tạo bông và lọc màng cho hiệu quả xứ lý Asenic trong nước ngầm cao Các quá trình oxy hóa As(III) thành As(V), cũng như loại bỏ nồng độ As trong nước ngầm của quá trình keo tụ tạo bông và lọc màng có hiệu quả tốt Nước sau khi ra quá trình lọc màng MF có chất lượng tương đối ổn định

và nồng độ Asenic đạt tiêu chuẩn cho phép (≤10ppb)

Với chất lượng nước đầu ra như vậy, nước ngầm nhiễm Asenic sau khi được xử lý đã đạt tiêu chuẩn cho phép, đảm bảo sử dụng cho nhu cầu sinh hoạt của người dân hoặc các nhu cầu khác

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Các quá trình và cấp độ phân riêng của màng 20

Bảng Nội Dung Trang

1.1 Lượng As trong thành phần đất 7 1.2 Hàm lượng As phân bố trong tự nhiên 7 1.3 As có nguồn gốc nhân tạo 8 1.4 Ô nhiễm As trong nước ở một số khu vực trên thế giới 9 1.5 Arsenic trong nước ngầm ở Hà Nội và một số các tỉnh phía Bắc 9 1.6 Các sản phẩm hấp phụ As 16 1.7 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình màng 25 1.8 Các muối hòa tan yếu và khả năng hòa tan của chúng trong nước 28 2.1 Thông số kĩ thuật của quạt thổi khí 38 2.2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 41

3.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ tưới lên quá trình oxy hóa

3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình oxy hóa As(III)

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình keo tụ tạo bông 49

3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của phèn sắt lên quá trình keo tụ tạo

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

WHO World Health Organization – Tổ chức y tế thế giới

FI Fouling Index – Chỉ số cáu cặn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 03

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 03

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 04

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 04

4 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 04

5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 05

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ 06

1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC 06

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ASENIC 13

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC MÀNG 18

1.4 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 29

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 33

2.1.1 Đề xuất công nghệ xử lý Asenic trong nước ngầm 33

2.1.2 Đánh giá, nghiên cứu khả năng xử lý Asenic trong nước ngầm 33

2.2 MÔ TẢ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33

2.2.1 Giai đoạn 1: Oxy hóa bằng giàn mưa 33

2.2.2 Giai đoạn 2: Keo tụ tạo bông 34

2.2.3 Giai đoạn 3: Lọc màng MF (0,1µm) 34

2.3 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 35

2.3.1 Thành phần mô hình 35

2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của mô hình 35

2.3.3 Nguyên vật liệu 36

2.3.4 Điều kiện vận hành 39

2.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 40

2.4.1 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 40

2.4.2 Phương pháp hồi cứu 41

2.4.3 Phương pháp nghiên cứu mô hình 41

2.4.4 Phương pháp xử lý số liệu 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 42

A KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 42

3.1 Giai đoạn 1: Oxy hóa As(III) thành As(V) trong thí nghiệm giàn mưa 42

3.1.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ tưới lên quá trình oxi hóa As(III) thành As(V) trong thí nghiệm giàn mưa 42

3.1.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình oxy hóa As(III) thành As(V) trong thí nghiệm giàn mưa 45

3.2 Giai đoạn 2: Xử lý As bằng quá trình keo tụ tạo bông bằng phèn FeCl3 48

3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình keo tụ tạo bông 48

3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của phèn sắt lên quá trình keo tụ tạo bông 51

3.2.3 Xác định thời gian tối ưu cho quá trình keo tụ tạo bông 54

3.2.4 So sánh hiệu quả xử lý giữa phèn sắt và phèn nhôm 56

3.2.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của Polymer lên hiệu quả xử lý 59

3.2.6 Hiệu quả xử lý As của quá trình keo tụ tạo bông 62

3.3 Giai đoạn 3: Xử lý tiếp As bằng công nghệ màng MF 65

3.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên quá trình loại bỏ As bằng màng MF 65

3.3.2 Thay đổi áp suất lọc theo thời gian trong quá trình lọc màng 68

B ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ 70

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

4.1 KẾT LUẬN 72

4.2 KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Viễn cảnh ô nhiễm Arsenic trong nguồn nước sinh hoạt ở Việt Nam đặc biệt là vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) đã là một thực tế phải đối phó Vùng nước nhiễm Arsenic ở nước ta khá rộng, nên việc cảnh báo nhiễm độc từ nước giếng khoan cho khoảng 10 triệu người đang sử dụng là rất cần thiết Những nghiên cứu gần đây cho thấy, châu thổ sông Hồng có nhiều giếng khoan có hàm lượng Arsenic vượt quá tiêu chuẩn hướng dẫn của WHO Những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía nam Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thái Bình và Hải Dương Ở đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan có nồng độ Arsenic cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang Sự ô nhiễm Arsenic ở miền Bắc hiện phổ biến hơn và cao hơn miền Nam Trong hai năm 2002-2003, Cục Thuỷ lợi thực hiện dự

án điều tra cơ bản “Điều tra nhiễm bẩn Arsenic trong nguồn nước ngầm thành phố Hà Nội”, 1/4 số hộ gia đình sử dụng trực tiếp nước ngầm không xử lý ở ngoại thành Hà Nội đã bị ô nhiễm Arsenic, tập trung nhiều ở phía nam thành phố (20,6%), huyện Thanh Trì (54%) và Gia Lâm (26,56%), Từ Liêm 21%, Đông Anh 12,99% và khu vực nội thành 32%, (qua hệ thống xử lý đơn giản nhiễm As khoảng 5%, không qua xử lý nhiễm 26%) Điều nguy hiểm là Arsenic không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước, cả khi ở hàm lượng có thể gây chết người, nên không thể phát hiện Bởi vậy, các nhà khoa học còn gọi arsenic là “sát thủ vô hình” Hiện nay, khoảng 13,5% dân số Việt Nam (10 - 15 triệu người) đang sử dụng nước ăn từ nước giếng khoan, rất dễ bị nhiễm Arsenic

Hiện nay đã có nhiều phương pháp được sử dụng để loại bỏ Asenic ra khỏi nguồn nước ngầm Một số phương pháp cũng đem lại hiệu quả nhất định nhưng chi phí đầu tư vận hành cao khó có thể áp dụng trong thực tế Trong khi đó một số phương pháp có hiệu quả kinh tế tốt nhưng ngược lại hiệu suất xử lý không cao Qua

đó không đảm bảo được yêu cầu an toàn cho nguồn nước ngầm Để khắc phục được các nhược điểm đó, hướng nghiên cứu của đề tài là sử dụng kết hợp giữa phương pháp oxy hóa giàn mưa, keo tụ tạo bông bằng phèn Fe, sau đó loại bỏ bông chứa Asenic bằng phương pháp lọc màng MF với kích thước 0,1 µm

Do vậy hướng nghiên cứu của đề tài là cần thiết góp phần cải tiến các công nghệ truyền thống, nâng cao hiệu quả xử lý Asenic bằng cách oxy hóa qua giàn mưa, keo tụ tạo bông kết hợp với lọc màng MF nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn vệ sinh môi trường và bảo vệ sức khỏe người dân

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Đề xuất phương án sử dụng các quá trình oxy hóa bằng giàn mưa, keo tụ tạo bông và lọc màng MF (0,1µm) để xử lý Asenic có trong nước ngầm đảm bảo tiêu chuẩn cấp nước cho khu dân cư tập trung

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan tình hình ô nhiễm Asenic trong nước ngầm ở Việt Nam

- Nguồn gốc gây ô nhiễm Asenic, tính chất và tác hại của Asenic lên con người

- Tìm hiểu các công nghệ xử lý Asenic

- Đánh giá công nghệ xử lý và đề xuất công nghệ xử lý Asenic cho cụm dân cư tập trung

- Đánh giá khả năng xử lý Asenic trên mô hình oxy hóa giàn mưa, keo tụ tạo bông và lọc màng MF

- Tổng hợp, đánh giá, đưa ra các thông số thiết kế, đầu vào, đầu ra

4 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thành công về quá trình loại bỏ Asenic trong nước ngầm Tuy nhiên các công trình đó khó có khả năng

áp dụng vào điều kiện của Việt Nam vì nhiều lí do Tại Việt Nam các nghiên cứu về Asenic còn hạn chế Đã có vài nghiên cứu về xử lý Asenic đạt được những kết quả nhất định về hiệu quả xử lý nhưng lại gặp khó khăn về vấn đề kinh tế và vận hành hoặc ngược lại Trong khi đó, việc xử lý bằng oxy hóa qua giàn mưa, keo tụ tạo bông

và lọc màng MF hứa hẹn đem lại hiệu quả cao trong các ứng dụng thực tế Vì vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu để xử lý Asenic của đề tài là mới và cần thiết

5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

5.1 Ý nghĩa khoa học

Hiện nay, xu thế sử dụng các vật liệu có kích thước nano đang ngày càng trở nên phổ biến, đem lại nhiều hiệu quả to lớn trong ngành vật liệu, môi trường và y tế… Chính vì vậy, việc nghiên cứu, tối ưu hoá quá trình xử lý Asenic bằng màng lọc MF là hết sức cần thiết Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng vào thực tiễn để xử lý Asenic trong nước ngầm ở các tỉnh thành Việt Nam

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nội dung của đề tài bao gồm việc khảo sát ứng dụng quá trình oxy hóa giàn mưa, keo tụ kết hợp với lọc màng MF để xử lý Asenic trong nước ngầm giúp đánh giá được khả năng xử lý Asenic của quá trình Thông qua đó có thể đề xuất xây dựng các

mô hình xử lý và áp dụng vào thực tế xử lý Asenic (thông số thiết kế, đầu vào, đầu ra…) cho một số nguồn nước ngầm bị ô nhiễm cụ thể đáp ứng nhu cầu cấp nước cho khu dân cư

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

1.1 TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM ASENIC

1.1.1 Nguồn gốc ô nhiễm Asenic

Tháng 7/2000 UNICEF đã điều tra tình trạng nhiễm độc Arsenic ở Việt Nam và kết luận Arsenic có trong tất cả đất, đá, các trầm tích được hình thành từ nghìn năm trước, với nồng độ khác nhau Arsenic được giải phóng từ đá vào các mạch nước ngầm Vì vậy, mọi nơi trên lãnh thổ Việt Nam đều có nguy cơ nhiễm Arsenic bất cứ lúc nào Theo tiêu chuẩn mới công bố năm 2002 của Bộ Y tế, hàm lượng As trong nước sinh hoạt phải dưới 0,01 mg/l mới đạt yêu cầu Arsenic là một nguyên tố có trong thiên nhiên - không chỉ có trong nước mà còn có trong không khí, đất, thực phẩm và BỆNH NHIỄM ARSENIC Theo từ điển Bách khoa dược học, thạch tín là tên gọi thông dùng chỉ nguyên tố arsenic, và cả hợp chất oxid hóa As2O3 - màu trắng, dạng bột, tan được trong nước, rất độc Arsenic là thành phần tự nhiên của vỏ trái đất, khoảng 1 đến 2 mg arsenic/kg, là một chất rất độc (gấp 4 lần thủy ngân) khi uống một lượng arsenic bằng nửa hạt ngô (bắp), có thể chết ngay

Điều tra sơ bộ đã có thể khẳng định nguyên nhân chủ yếu khiến nước ngầm ở nhiều vùng thuộc nước ta nhiễm arsenic là do cấu tạo tự nhiên của địa chất Tuy nhiên cũng không loại trừ ô nhiễm là do tác động của con người như gần các nhà máy hóa chất, những khu vực nông nghiệp sử dụng nhiều chất bảo quản thực vật, những khu vực dân tự động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước Ngoài nước uống ra, arsenic được sử dụng trong thành phần của một số thuốc phun hoa quả, các hợp chất của arsenic được sử dụng trong công nghiệp như các hợp kim trong chế tạo đài bán dẫn, máy laser, cũng như trong sản xuất kính, vải vóc, hồ dán kim loại, chất bảo quản gỗ và vũ khí sẽ làm tăng hàm lượng của nó trong đất Chúng còn được sử dụng hạn chế trong thuốc trừ sâu, chất phụ gia trong thức ăn gia súc và trong các dược phẩm

Có nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm, những nguyên nhân chủ yếu sau đây đã được bàn đến:

- Ô nhiễm Arsen đối với môi trường nước là do quá trình khử hoá, hoà tan các chất khoáng giàu Arsen trong đất vào nguồn nước ngầm Sự khử các oxihidroxid của sắt và mangan bởi vi khuẩn yếm khí Arsenic đã hấp thụ trên các hạt mịn của oxihidroxit sắt hoặc mangan bị vi khuẩn yếm khí khử thành dạng tan được

- Những vùng có nhiều khoáng giàu Arsen thì khả năng gây ô nhiễm nguồn nước càng cao Nước chảy qua các vỉa quặng chứa Asen đã bị phong hoá (ví dụ ở thượng nguồn Sông Mã, Việt nam) Sự suy thoái nguồn nước ngầm làm cho các tầng khoáng chứa Asen bị phong hoá, Asen từ dạng khó tan chuyển sang dạng có thể tan được trong nước

Bảng 1.1: Lượng As trong thành phần đất

Thành phần của đất Lượng As (mgAs/kg đất)

Đất do núi lửa < 1 – 15 Đất đá cặn cáu < 1 – 900

Sa thạch và đá vôi < 1 – 200

Đá phosphat < 1 – 200

Bảng 1.2: Hàm lượng As phân bố trong tự nhiên

Thiên thạch đất 0.036 Thiên thạch đá 20.10-4

1.1.1.2 Do hoạt động công nghiệp

- Các quá trình xử lý quặng Arsen, chiết suất Arsen từ các quặng chứa nó ; luyện kim màu Cu, Pb, Zn, Ca, Sb; chế tạo, sản xuất các hoá chất bảo vệ thực vật

- Trong kỹ nghệ thuộc da, làm rụng lông ở da, xử lý các con thú nhồi bông và bảo quản sản phẩm thuộc da

- Trong kỹ nghệ thuỷ tinh, một số hợp chất Arsen được dùng để cải tiến chất lượng sản phẩm

- Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện

- Công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi Arsen

- Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng, quặng sunfua, luyện kim

1.1.1.3 Do hoạt động nông nghiệp

- Arsen phức hợp được dùng làm chất diệt côn trùng, thuốc diệt cỏ như trioxit Arsen

- Các hợp chất muối của Arsen với Pb, Ca, Na là chất làm khô giúp cho bông vải được dễ dàng thu hoạch hơn sau khi rụng lá

- Ước lượng trên thế giới có khoảng 8.000 tấn As/năm được dùng làm thuốc diệt cỏ; 12.000 tấn As/năm để làm khô bông vải và 16.000 tấn để bảo quản gỗ

- Tỷ lệ dùng thuốc sát trùng từ 2-4 kg/ha, lượng demethyl Arsenic axit dùng gấp 3 lần

- Một lượng nhỏ Arsen hữu cơ dùng làm làm thức ăn thêm cho gia súc ở mức

1.1.2 Tình hình ô nhiễm Asenic

Bảng 1.4: Ô nhiễm As trong nước ở một số khu vực trên thế giới

Khu vực ô nhiễm As Nồng độ ô nhiễm (mg/l)

Nam Iowa và Tây Missouri của Mỹ 0,034-0,490

Ở Quảng Ninh: phân tích Arsen trong nước ngầm của 175 giếng khoan nông

tại các huyện Đông Triều, thành phố Hạ Long, thị xã Uông Bí đều có hàm lượng As < 0,05 mg/l, chất lượng nước nhìn chung là tốt

Ở Thanh Hoá: phân tích Arsen trong nước của 201 giếng khoan nông (các

huyện Hằng Hoá, Nông Cống , Triệu Hoá) Đa số có hàm lượng As < 0,05 mg/l, chỉ

có 11 giếng khoan có hàm lượng As > 0,05 mg/l, hàm lượng cao nhất là 0,1 mg/l (có 4 giếng khoan)

Ở Hải Phòng: phân tích As trong nước ngầm của 49 giếng khoan nông tại

huyện An Hải, TX Đồ Sơn, quận Ngô Quyền, chỉ có 1 mẫu nước ở Đồ Sơn có hàm lượng Arsen là 0,15 mg/l

Ở Thái Bình: phân tích mẫu nước 195 giếng khoan nông tại các huyện Đông

Hưng, Hưng Hà, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Vũ Thư và TX Thái Bình, đều có hàm lượng

As < 0,05 mg/l

Arsenic trong nước ngầm ở một số tỉnh đồng bằng sông Cửu Long

Đồng Tháp: Hàm lượng Arsenic trong nước giếng thay đổi từ 1 – 720 ppb Long An và Bến Tre: mức độ ô nhiễm Arsenic thấp, giá trị lớn nhất là 36 ppb

So sánh với tiêu chuẩn của WHO và BYT 1329-2002 của Bộ Y tế có 16% số mẫu vượt tiêu chuẩn

Thành phố Hồ Chí Minh: Kết quả khảo sát, phân tích về chất lượng nước

ngầm đối với chỉ tiêu Arsen tại TP.HCM cho thấy mức độ ô nhiễm Arsen là không đáng kể có thể xem là chưa bị ô nhiễm Cụ thể là trong hơn 160 mẫu nước, 20 mẫu đất lấy ở các vị trí khác nhau trên địa bàn TP.HCM, giếng khoan có chiều sâu từ 5 – 250m, hàm lượng Arsen thấp dao động trung bình từ 0,4 – 3,0 ppb Riêng tại Bình Mỹ

- Củ Chi, bãi rác Phước Hiệp và khu phố 4 phường Tân Thới nhất khá cao từ 30,74 – 43,1 ppb, có khả năng là do ô nhiễm từ bên ngoài

1.1.3 Tính chất hóa lý của Asenic

Arsen là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ trái đất, là nguyên tố hoá học nhóm V trong hệ thống tuần hoàn Mendeleep, tỷ trọng là 5,7 g/cm3, là một á kim màu xám trắng, mùi tỏi, dòn, dễ vỡ Khi tăng nhiệt độ, Arsen chảy ra và thăng hoa ở nhiệt

độ 613°C Arsenic tinh khiết được xem là không độc, nhưng trong điều kiện bình thường Arsenic không bao giờ ở trạng thái tinh khiết, vì khi tiếp xúc với không khí một phần Arsenic bị oxi hoá thành những hợp chất rất độc Arsen là nguyên tố rất cần thiết cho hoạt động phát triển nhưng đồng thời cũng là một chất rất độc hại đối với cơ thể người và các sinh vật khác Asenic không gây mùi vị khó chịu khi có mặt trong nước ngay cả ở lượng đủ làm chết người, nên không thể phát hiện bằng cảm quan Bởi vậy có nhà báo gọi nó là kẻ giết người vô hình (Invisible Killer)

Arsen tồn tại ở vài dạng thù hình: Arsen vàng kém bền, dưới tác dụng của ánh sáng hay nhiệt độ chuyển thành Arsen xám có cấu trúc tương tự kim loại

Ở dạng đơn chất cũng như hợp chất, Asen vừa có tính chất kim loại vừa có tính chất không kim loại, nó là nguyên tố nửa kim loại nửa không kim loại Các hợp chất của As với Na có tính hoà tan rất cao, còn muối của As, Mg và các hợp chất As hữu

cơ trong môi trường pH gần trung tính và nghèo Ca thì độ hoà tan kém hơn các hợp chất Arsen hữu cơ, đặc biệt là As axit fulvic Phức chất Arsen như vậy có thể chiếm tới 80% các hợp chất Arsen tồn tại trong nước dưới đất

Arsen vô cơ từ các khu vực ô nhiễm công nghiệp tồn tại dưới dạng Arsenate (As(V)), Arsenite (As(III)), Arsenic sulfide (HAsS2), Arsen nguyên tố (As) và ở dạng khí Arsin (AsH3) Các hợp chất Arsenate như: H3AsO4, H2AsO4

số mẫu quặng chứa Asenic cao 10 - 1000 mg As/kg hoặc hơn

Dạng Arsen tồn tại chủ yếu dưới đất là H3AsO4 (trong môi trường pH axit đến trung tính), H3AsO3 trong môi trường oxi hoá-khử yếu

Trong nước, Asenic thường tồn tại ở hóa trị 3 và 5 (As(III) và As(V))

1.1.4 Tác hại của Asenic

Asenic là một chất rất độc, độc gấp 4 lần thuỷ ngân Độc tính của các hợp chất

As đối với sinh vật dưới nước tăng dần theo dãy As → Arsenite → Arsenate → As hữu cơ

As(III): Trong môi trường sinh thái, các dạng hợp chất As hoá trị 3 có độc tính

cao hơn hợp chất As có hoá trị 5

As(V): As(V) có thể được chuyển thành As(III) và gây độc giống như As(III),

có cấu trúc giống phosphate hữu cơ và có thể thay thế cho phosphate trong sự thuỷ phân glucose và sự hô hấp của tế bào

Asenic thường có trong rau quả, thực phẩm, trong cơ thể động vật và người với nồng độ rất nhỏ, gọi là vi lượng Lượng Arsen cho phép trong cơ thể người trưởng thành là < 50 mg As/kg Ở mức độ bình thường, nước tiểu chứa 0,005-0,04 mg As/L, tóc chứa 0,08-0,25 mg As/kg, móng tay, móng chân chứa 0,43-1,08 mg As/kg

Tùy theo mức độ xâm nhập vào cơ thể con người, những hội chứng do sự nhiễm độc Arsenic thay đổi theo thời gian Từ việc da ở lòng bàn tay và móng tay, chân cho đến da trước ngực trở thành đen xậm do Arsenic tích tụ lâu dài trong cơ thể

từ năm năm đến mười năm Sau 15 năm bị nhiễm độc, các bộ phận trong cơ thể như gan, thận, lá lách bị sưng to; hệ thống tim mạch, thần kinh, bộ hô hấp bị suy thoái Sau hơn 20 năm, các ung thư gan, lá lách, bàng quan, thận bắt đầu xuất hiện

Nhiễm độc arsenic cấp xảy ra do uống nước giếng bị đầu độc với liều 1,2 và 2,1 mg trong 1 lít nước đã được ghi nhận Nếu bị ngộ độc cấp tính bởi Arsenic sẽ có biểu hiện: khát nước dữ dội, đau bụng, nôn mửa, tiêu chảy, mạch đập yếu, mặt nhợt nhạt rồi thâm tím, bí tiểu và tử vong nhanh Arsenic làm thay đổi cân bằng hệ thống enzym của cơ thể, nên tác hại của nó đối với phụ nữ và trẻ em là lớn nhất Kim loại nặng khi vào cơ thể thường tích lũy ở: gan, thận, não Arsenic tác động xấu đến hệ tuần hoàn, hệ thần kinh Nếu bị nhiễm độc Arsenic với liều lượng dù nhỏ nhưng trong thời gian dài sẽ gây: mệt mỏi, buồn nôn và nôn, hồng cầu và bạch cầu giảm, da mặt xám, 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, làm kiệt sức, ung thư, cảm giác về sự di động bị rối loạn và ảnh hưởng đến thai nhi Người uống nước ô nhiễm arsenic 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 Bowen (biểu hiện đầu tiên là một phần cơ thể đỏ ửng, sau đó bị chảy nước và lở loét) có thể xâm nhập vào cơ thể con người

Theo Tổ chức Y tế thế giới WHO cứ 10.000 người thì có 6 người bị ung thư do

sử dụng nước ăn có nồng độ arsenic lớn hơn 0,01 mg/l nước

1.1.5 Phương pháp phát hiện Asenic

Có rất nhiều cá nhân hay cơ quan trên thế giới đang cố gắng phát minh ra hệ thống thử nghiệm (test kit) dựa trên tác dụng hóa học, vật lý hay sự thay đổi màu của arsenic trên các chất hóa học Tùy theo điều kiện thí nghiệm, các phương pháp nầy cho thấy mức độ chính xác tương đối cho phép chúng ta ước lượng sơ bộ tình trạng nhiễm độc ở nơi khảo sát Độ chính xác có thể khám phá được sự hiện diện của arsenic vào khoảng 10ug/L Phương pháp dùng sulfate đồng (II) (CuSO4) có thể áp dụng trong việc truy tìm Arsenic trong nguồn nước ở Việt Nam Phương pháp này tương đối giản dị, dễ sử dụng, và nhất là rẽ tiền rất thích hợp với nông dân ĐBSCL Các nguyên tố có thể ảnh hưởng lên kết quả thử nghiệm như sắt (Fe), Selenium (Se), Manganese (Mn), Nickel (Ni), Cobalt (Co) đều được loại trừ, do đó mức độ xác tính cao và phương pháp này có thể khám phá được arsenic ở nồng độ 50µg/L

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ASENIC

Arsenic hiện diện trong nước ngầm (trạng thái yếm khí) dưới dạng As(III) (arsenite) trung tính (neutral) Khi tiếp xúc với không khí (nước mặt) một phần lớn As(III) sẽ hoán chuyển thành As(V) (arsenate) và cho ra ion âm (negative charge) Chính dạng sau cùng nầy là mầm móng của các hội chứng nhiễm độc arsenic Do đó mọi phương pháp xử lý đều tập trung vào việc khử arsenate (V) Các phương pháp đơn giản loại trừ asenic dựa trên khả năng tạo thành hợp chất ít tan của As(V), ví dụ: FeAsO4, Mn3(AsO4)2, AlAsO4

1.2.1 Phương pháp Oxy hóa

Oxy hoá là phương pháp tương đối đơn giản bằng cách dùng hoá chất như: Chlorine, permanganate, ozone…hoặc đưa oxy vào bằng cách làm thoáng hay sục khí Mục đích của phương pháp này là chuyển As(III) trong nước ngầm thành dạng As(IV)

1.2.1.1 Oxy hoá bằng Chlorine

- Theo Ghurye và Clifford – 2001, pH tốt cho quá trình chuyển hoá là 6,3 –

8,3, 95% As(III) chuyển thành As(V) trong vòng 42 giây

- Sắt, mangan và các hợp chất hữu cơ không ảnh hưởng đến thời gian chuyển hoá

- Hàm lượng sulfide nồng độ từ 1 – 2 mg/l sẽ làm tăng thời gian oxy hoá (60 giây)

Ưu điểm: Giá thành rẻ, kết hợp khử trùng nước, oxy hoá As trong thời gian

ngắn nhỏ hơn 1 phút

Nhược điểm: để lại sản phẩm phụ, có thể ảnh hưởng đến màng lọc (nếu dùng

các phương pháp lọc màng sau đó)

1.2.1.2 Oxy hoá bằng Permaganate

Ưu điểm : Không hình thành sản phẩm phụ, không gây ảnh hưởng màng lọc

(nếu có sử dụng), Oxy hóa As trong thời gian < 1 phút

Nhược điểm: khó kiểm soát vì rất dễ ăn mòn, và làm cho các thiết bị có màu tía;

sự hình thành kết tủa MnO2; cần phải có thêm chất khử trùng Và do những yêu cầu như thế nên nếu sử dụng KMnO4 làm chất oxy hóa thì chi phí xử lý sẽ tăng

1.2.1.3 Oxy hóa bằng Ozone và Oxy

- Khả năng chuyển hóa As(III) thành As(V) của Ozone và Oxy phụ thuộc vào

pH, pH dao động trong khoảng 6,3 – 8 với O3 và giảm pH từ 8.3 đến 6, quá trình chuyển đổi 100% với O2 (theo Ghurye và Clifford, 2001)

- Thời gian chuyển hóa 95% As(III) thành As(V) là 28 giây với O3 Trong 1,5 phút có thể chuyển 98.7% As(III) thành As(V) với O2

- Sắt, mangan và chất hữu cơ (TOC) không ảnh hưởng đến thới gian chuyển hóa với O3 Nhưng, sắt hòa tan, mangan và TOC gây cản trở quá trình oxy hóa As khi

DO <0.1 mg/L và thời gian tiếp xúc dưới 1.5 phút Khi tăng DO lên 8.2 mg/L hoặc tăng thời gian tiếp xúc 6 phút, sự cản trở này sẽ giảm

- Sulfide từ 1 – 2 mg/l thì thời gian chuyển hóa từ 54 – 132 giây đối với O3

- Theo nghiên cứu của M.V.Balarama và cộng sự, để xử lý 1l nước nhiễm As với nồng độ 2,5 mg/l thì cần 100mg Fe(II) Amoni sulfate và 100µl H2O2/1l dung dịch khuấy trộn trong 10 phút rồi loại bỏ cặn lắng và qua lọc cát, nước sau xử lý có nồng

độ As < 10ppb

1.2.2 Phương pháp hấp phụ

- As có thể được hấp phụ lên 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 như oxit sắt, oxít titan, oxít silic, sét khoáng (cao lanh, nentonite ) boxit, hemtit, felspat

- Theo Aimms và Azizian (1997), pH tối ưu cho quá trình xử lý là 6 – 7,5, theo Singer và Clifford (1981) là 5,5 – 6, theo Hathaway và Rubel (1987) là 6 – 9

- Theo Benjamin và nhóm cộng sự (1998) thì hiệu quả loại bỏ As(V) là 88%, trong khi đối với As(III) là 60%

- Khi trong nước có SO42-, Cl-, CO32-, các chất hữu cơ, các chất rắn hoà tan sẽ ảnh hưởng hiệu quả xử lý As

- Hấp phụ bằng oxít nhôm hoạt tính, hiệu quả có thể lên đến 95% (theo EPA )

Đường kính của nhôm hoạt tính từ 0,3 – 0,6 mm pH cần cho quá trình hấp phụ hiệu

quả là 5,5 – 6 (theo AwwaRF 2002) Phải có giai đoạn tiền oxi hóa để oxi hóa As(III)

thành As(V)

- Theo nghiên cứu của USEPA, 2000, thứ tự hấp phụ trong dung dịch như sau:

OH- > H 2 AsO 4 - > Si(OH)3- > F- >HSeO3- > TOC > SO42- > H3AsO3

- Một số các sản phẩm hấp phụ As

Bảng 1.6: Các sản phẩm hấp phụ As

Tên sản phẩm Công ty sản xuất Loại vật liệu

G2 ADI International Sắt biến tính SMI III SMI Sắt, Sulfur GFH U.S Filter Sắt Hydroxit Bayoxide E33 Bayer AG Sắt Oxit

1.2.3 Phương pháp trao đổi ion

- Có thể loại bỏ các ion Asenate (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này

có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Arsen Nồng độ Arsen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb

- Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình trao đổi ion khử As như: pH, các ion cạnh tranh, các loại chất trao đổi ion…pH có nhiều nghiên cứu khác nhau, nhưng có hai khoảng pH tối ưu theo hai nhà nghiên cứu đưa ra: 8 – 9 (theo Clifford và Lin, 1995)

- Theo nghiên cứu của Cloffod, 1999, thứ tự trao đổi ion trong nước như sau:

SO42- > HAsO42- > NO3-, CO32- > NO2- > Cl-

- Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ cho từng hộ gia đình đơn lẻ

1.2.4 Phương pháp lọc màng

Vi lọc (MF): vi lọc có thể loại bỏ Arsen ở dạng cặn nhưng chỉ có quá trình này

không đủ để đạt hiệu quả xử lý Arsen cao trừ khi gần như tất cả Arsen được tìm thấy trong nước ngầm ở dạng cặn

Siêu lọc (UF): Quá trình siêu lọc nhìn chung có thể khử được một số phần tử

keo và phần tử cặn

Lọc nano (NF): lọc nano có thể khử được cả As(III) và As(V) hoà tan trong

nước ngầm Theo AwwaRF (1998), với quá trình lọc Nano thì khả năng loại bỏ As có

thể đạt tới 90% Tuy nhiên do kích thước lỗ nhỏ nên dễ bị tắc nghẽn màng

Thẩm thấu ngược (RO): Theo AwwaRF (1998), thì hiệu quả xử lý Arsen trong

nước ngầm khoảng 80 – 90% Khi pH ở giá trị trung bình thì chỉ có As(V) (khoảng 96%) được loại bỏ, còn As(III) thì hầu như không được xử lý

1.2.5 Phương pháp làm mềm nước bằng vôi

- Tất cả các biện pháp làm mềm nước đều có thể làm giảm lượng Arsen trong nước Xử lý thông qua quá trình làm mềm nước phụ thuộc vào các yếu tố sau: tỉ lệ hàm lượng As(V)/As(III), trạng thái oxi hoá của As, pH của nước

- Theo Logdons và Sorg (1978), pH tối ưu cho As(V) là 10,5 và As(III) là 11,0

- Ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của các chất có thể lắng CaCO3, Mg(OH)2 và Fe(OH)3 và một số ion trong nước như SO42-, CO32-

- Hiệu suất của phương pháp này có thể lên đến 90%(theo USEPA, 2000) Tuy nhiên phương pháp này cần nâng pH trên 10 và phải có giai đoạn ổn định hoá nước trước khi sử dụng

1.2.6 Phương pháp dùng thực vật để khử Arsenic

Tiến sĩ Leno Ho, thuộc đại học Florida đã khám phá và chứng minh được rằng một loại cây thuộc họ dương xỉ (fern) có tên là Pteris Vittata có khả năng hấp thụ 755mg/Kg arsenic trong vòng 2 tuần lễ Cây dương xỉ này chính là cây Rau Rán mọc

ở những lạch nước trong miền Nam VN theo GS Phạm Hoàn Hộ trong Cây Cỏ Miền Nam Và mới đây nhất (3/2005), trong một báo cáo khoa học của TS Parvez Haris, thuộc VĐH Leicester, Anh Quốc đã chứng minh việc dùng rễ cây lục bình (water

hyacinth, tên khoa học là Eichhornia Crassipe) để khử arsenic Rễ cây khô được xay nhuyễn có khả năng hấp thụ As trong một dung dịch có nồng độ 200 phần tỷ trong vòng 60 phút

1.3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LỌC MÀNG

Công nghệ lọc màng được đánh giá là công nghệ xử lý nước tiên tiến, không gây ô nhiễm môi trường, là một trong những xu hướng mới đang được phát triển mạnh ở nhiều nước trên thế giới và đã bước đầu phát triển ở Việt Nam Công nghệ lọc màng có nhiều ưu việt, khắc phục được nhiều hạn chế tồn tại của công nghệ xử lý nước truyền thống như: Cho phép xử lý được những chất ô nhiễm cơ bản, truyền thống (cặn lơ lửng, độ đục ) và cả những chất ô nhiễm đặc biệt, không loại bỏ được bằng công nghệ truyền thống (vi sinh vật, các hợp chất hòa tan, nước nhiễm mặn ); Chất lượng nước đầu ra ổn định, mặc dù chất lượng nước đầu vào có biến động; Không đòi hỏi điều chỉnh liều lượng và nồng độ hóa chất; Không sinh ra những sản phẩm phụ; Lượng bùn cặn sinh ra ít; Cho phép giảm liều lượng Clo khử trùng; Hệ thống xử lý gọn nhẹ, giảm đáng kể được khối tích công trình, thời gian xây dựng lắp đặt; Dễ dàng thực hiện tự động hóa, kiểm soát quá trình vận hành Công nghệ lọc màng này được áp dụng rộng rãi trong cấp nước sinh hoạt và công nghiệp, trong xử lý nước thải và đã trở thành một phương pháp không thể thay thế Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ xử lý nước tiên tiến này là: khử muối, làm ngọt nước biển và nước lợ,

xử lý nước cấp cho nồi hơi và tháp làm mát, sản xuất nước siêu sạch, chế biến dược phẩm, tách muối khỏi sữa và phomát, tinh chế nước hoa quả, vv

Pall là Công ty đứng đầu thế giới về triển khai nhanh các công nghệ lọc, tách

và tinh lọc Công ty Pall đã công bố công nghệ lọc màng do Trung tâm hệ thống nước uống quốc tế (NSF) công nhận nhằm loại bỏ asen ra khỏi nước uống Kết quả kiểm tra hiệu suất độc lập cho thấy: hệ thống vi lọc Pall Aria làm giảm lượng asen xuống mức không thể phát hiện được (dưới 2 ppb), vượt tiêu chuẩn của EPA về hàm lượng chất ô nhiễm tối thiểu cho phép trong nước uống Đây là công nghệ vi lọc đầu tiên được chứng nhận để loại bỏ asen theo quy định mới của EPA

Công nghệ lọc màng được xem là công nghệ lựa chọn sử dụng cho nguồn nước uống an toàn Các cộng đồng lớn và nhỏ trên toàn thế giới hiện nay sử dụng hệ thống Pall Aria để loại bỏ các loài ký sinh bao gồm bào tử và các noãn bào cryptosporidia và

giardia có thể gây ô nhiễm nguồn nước uống và ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ cộng đồng Việc cấp chứng nhận mới cho phép các cộng đồng này loại bỏ cả 2 loại; asen và những loài ký sinh với hiệu quả chi phí Hệ thống Pall cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xử lý nước thải nhằm ngăn chặn asen xâm nhập vào nguồn nước uống

Không giống như những phương pháp loại bỏ asen khác, như phương pháp thẩm thấu ngược và phương pháp hấp thụ, lọc màng là giải pháp lâu dài, chi phí thấp, không đòi hỏi đầu tư vốn trả trước lớn, chi phí cao để vận hành hay thường xuyên phải cải tạo và mua sắm thiết bị Hệ thống Pall Aria hoạt động nhờ quá trình bổ sung chất làm đông tụ có nguồn gốc từ sắt, như sắt clorua vào nước Chất asen gây ô nhiễm được hấp thụ bằng những hạt hyđrôxít sắt có tích điện, sau đó được loại bỏ bởi

- Siêu lọc (UF): Siêu lọc giữ lại được các keo, các hợp chất cao phân tử hòa

tan, vi khuẩn kích thước từ 0,001 µm đến 0,1 µm Phương pháp siêu lọc có thể loại bỏ được cả những vi sinh vật không tiêu diệt được bằng phương pháp Clo hóa

- Lọc Nano: Cho phép loại bỏ được ra khỏi nước các phần tử kích thước từ

0,0001 µm đến 0,001 µm

- Thẩm thấu ngược (RO): Ở quá trình thẩm thấu tự nhiên, do chênh lệch thế

năng hóa học giữa hai dung dịch, màng bán thấm cho nước đi qua từ dung dịch có nồng độ cao sang dung dịch có nồng độ thấp hơn và giữ lại chất hòa tan Trong thẩm thấu ngược, người ta tạo ra lực tác dụng P lớn hơn lực thẩm thấu tự nhiên của nước và theo chiều ngược lại (D = 100 - 800psi) Thẩm thấu ngược cho phép tách được tất cả các chất bẩn dạng lơ lửng và hòa tan (trừ một vài chất có phân tử lượng nhỏ và độ phân cực lớn), virút

Hình 1.1 Các quá trình và cấp độ phân riêng của màng

1.3.2 Cấu tạo của màng

Dòng vào sau khi qua màng bán thấm chia thành 2 dòng :

Hình 1.3: Các dạng màng

Trong số các màng trên, màng tấm và màng hình ống ít được sử dụng vì tỉ số diện tích màng trên một đơn vị thể tích nhỏ và điện năng tiêu thụ trên một m3 nước

xử lý cao Màng tấm và màng ống chỉ nên được dùng khi vấn đề đóng cặn dễ xảy ra

vì 2 loại màng này dễ bảo dưỡng và thay thế

Hình 1.4: Màng vòng xoắn

1.3.3 Một số đặc điểm chung của màng

- Các hợp chất vô cơ hoà tan dễ bị loại bỏ hơn bởi màng RO so với các chất hữu cơ

- Các chất hoà tan có thể bị ion hoá có khả năng bị loại bỏ tốt hơn so với các chất không bị ion hoá

- Các chất bị ion hoá có điện thế lớn hơn có khả năng bị loại bỏ tốt hơn các chất có điện thế thấp Ví dụ, ion Al3+ bị loại bỏ tốt hơn so với Mg2+, còn ion này cũng bị loại bỏ tốt hơn so với Na+

- Khả năng bị khử của các ion vô cơ tuỳ thuộc vào kích thước của ion này

và kích thước của ion bị hydrate hoá, ion nào lớn hơn thì khả năng bị loại bỏ tốt hơn

- Các hợp chất không có khả năng ion hoá có kích thước càng lớn (phân tử lượng càng lớn) thì khả năng bị khử càng tốt

- Các chất khí có phân tử lượng nhỏ hơn 100 có thể dễ dàng thấm qua màng

Ví dụ: khả năng bị loại bỏ của ammonia, clorin, CO2, và H2S thấp

- Khả năng loại bỏ axit yếu thấp và phụ thuộc vào phân tử lượng Khả năng

bị loại bỏ của các loại axit sau giảm theo thứ tự: axit citric, axit tartaric và axit acetic vì phân tử lượng giảm

1.3.4 Quá trình truyền khối xảy ra trong màng

Dòng chất lỏng và muối qua màng có thể biểu diễn bằng phương trình sau:

Theo định luật Fick và Henry:

Trong đó : Qs : dòng muối qua màng

Ks : hệ số thấm của màng đối với muối

Hiện tượng này gọi là sự phân cực nồng độ, được xác định bằng hệ số:

Ψ = 𝐶𝑚

𝐶𝑓 Trong đó : Cm : nồng độ muối của dung dịch lớp biên tiếp xúc với màng

Cf : nồng độ muối của dòng vào

Để giảm thiểu hiện tượng này, duy trì dòng chảy ngang, song song bề mặt màng, khi đó độ dày lớp biên giảm đi và tạo điều kiện dễ dàng cho khuếch tán ngược Khi sử dụng dòng chảy ngang, hệ số ψ = 1.0 −1.4

n : số mole trong dung dịch

Trong đó : Q p : lưu lượng nước sạch, m3/ngày hoặc gpd

Qf : lưu lượng nước vào, m3/ngày hoặc gpd

Tỷ lệ thải muối : lượng muối tổng cộng thải bỏ trong dòng đậm đặc (dòng nước

muối)

R j =(1- 𝐶𝑝

𝐶𝑓 ) * 100%

Trong đó : C p : hàm lượng muối trong dòng nước sạch

C f : hàm lượng muối trong dòng nước vào

Hàm lượng muối được đánh giá bằng chỉ tiêu TDS hoặc độ dẫn điện; Rj > 90%

- pH: Dãy pH tốt nhất cho quá trình màng là từ 3-7, pH tối ưu trong khoảng 4.5

-5.0 Riêng loại màng polymide không bị thủy phân trong nước có thể hoạt động tốt ở dãy pH = 3-11

- Áp suất: dòng nước tỉ lệ thuận với áp suất hiệu quả (sự chênh lệch giữa áp

suất dòng vào và áp suất thẩm thấu) Khi TDS = 100 mg/l hoặc hàm lượng muối = 1% thì áp suất thẩm thấu là 1psi Áp suất dòng vào cao làm gia tăng Qp nhưng không tăng

lượng muối qua màng, vì vậy chất lượng nước sẽ tốt hơn Áp suất vào cao đòi hỏi màng dày hơn, ống và các phụ tùng phải chịu lực tốt hơn Áp suất cần tăng cường để tạo nên dòng chảy rối nhằm giảm thiểu sự phân cực hàm lượng

Bảng 1.7: Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình màng

- Bẩn màng: Trong quá trình nghiên cứu hệ thống RO, yếu tố quan trọng quyết

định đến tuổi thọ của hệ thống đó là bẩn màng (fouling) Bẩn màng do nhiều yếu tố tạo nên: do sự tích tụ của cặn bẩn lên bề mặt màng, gần bề mặt màng và trong lõi màng làm sụt giảm thông lượng dòng thấm Hiện tượng này là do sự phân cực nồng

độ hoặc do sự tích tụ của hạt keo, lớp cặn hình thành gần bề mặt màng khi áp suất vận hành cao làm cho các chất bẩn bị ép chặt lên bề mặt màng Các yếu tố gây bẩn màng bao gồm:

- Các chất gây cáu cặn, kết tủa (các oxit kim loại sinh ra từ các kim loại hoà tan trong nước, silicat, CaCO3,CaSO4, silicate, BaSO4, Ca3(PO4)2, CaF2…)

- Bẩn màng do cơ chế bít tắt của quá trình lọc

tỉ lệ tái sinh và chi phí vận hành

Bẩn màng thường do các hạt keo hữu cơ và vô cơ gây ra Ví dụ các hạt keo vô

cơ là bông phèn sắt, silica, đất sét Các hạt keo hữu cơ hầu hết bao gồm các các polymer hữu cơ và vi sinh

có chỉ số SDI cao đồng thời với hàm lượng vi sinh cũng cao Do đó quá trình tiền xử

lý cho loại nước này thường phức tạp hơn so với nước ngầm Yêu cầu phải có keo tụ tạo bông, lắng và lọc đa vật liệu (multimedia filtration)

Các yếu tố ảnh hưởng đến màng bao gồm các ion hoà tan yếu, silica, hạt keo và chất hữu cơ (TOC) và vi sinh

Một số anion hoà tan: Bicarbonate (HCO3-), carbonate (CO2-), hydroxide (OH), sulphate (SO42-), Cloride(Cl-), fluoride (F-), nitrate (NO3-), sulfide (S2-), và phosphate (PO43-)

-Một số cation hoà tan: Canxi (Ca2+), manhê (Mg2+), natri (Na+), kali (K+), sắt (Fe2+, Fe3+), mangan(Mn2+), nhôm (Al3+), bari (Ba2+), strontium (Sr2+), đồng (Cu2+

) và kẽm (Zn2+)

Khả năng kết hợp của các ion hoà tan trong nước tạo thành các muối hoà tan yếu trong nước gây cáu cặn cho màng khi muối có nồng độ vượt quá giới hạn hoà tan trong nước Các muối hoà tan yếu và khả năng hoà tan của chúng trong nước được thể hiện trong bảng sau Thông thường trong hệ thống màng, các muối ít hoà tan sau thường được thấy: CaCO3, CaSO4 và silica

Trong hệ thống tái sử dụng nước sinh hoạt sau xử lý bậc cao, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của màng là vi sinh do trong nước thải sau xử lý thông thường hàm lượng vi sinh cao bám trên bề mặt màng và làm giảm thông lượng của dòng thấm qua màng

Bảng 1.8: Các muối hòa tan yếu và khả năng hòa tan của chúng trong nước

1.3.6 Các yêu cầu xử lý sơ bộ

Thiếu xử lý sơ bộ trước khi cấp vào màng có thể nhanh chóng gây bẩn màng và làm giảm chất lượng nước Một số quá trình tiền xử lý thường dùng:

- Điều chỉnh pH của nước để tránh cáu cặn

- Giảm tỷ lệ tái sinh

- Trao đổi ion

- Xử lý bằng hoá chất

- Xử lý khống chế hàm lượng các kim loại hoà tan có khả năng tạo ra oxit không tan

- Keo tụ, tạo bông, lọc,

- Khử trùng bằng UV, clo hoá và khử clo…

1.4 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

1.4.1.1 Tại Hoa Kỳ

Từ hơn hai thập niên qua, Cơ quan Lượng định Địa chất Hoa Kỳ (US Geological Survey) đã phân tích và thẩm định arsenic trong 18.850 giếng khoan trên toàn cỏi quốc gia này Nồng độ arsenic của các mạch nước ngầm ở miền Tây Hoa kỳ chiếm tỷ lệ cao nhất; thứ đến là miền Trung Tây và Đông Bắc Miền Đông Nam là nơi

có nồng độ thấp nhất Trên 13% giếng khoan có nồng độ arsenic trên 5ug/l, khoảng 1% có nồng độ trên 50ug/L (Focazio, MJ &al, 1999: US Geological Survey Water-Resources Investigation Report 99-4297,21p)

Từ năm 1993, EPA Hoa Kỳ đã khai triển và hợp tác với các đại học để tìm ra các công nghệ mới trong việc khử arsenic trong nước uống kết hợp các nguyên tắc hóa học, cơ học, tính hấp thụ, hấp phụ Sau đây là một vài phương pháp xử lý tiêu biểu đang được áp dụng rộng rãi

+ Phương pháp kết tụ và gạn lọc (coagulation & filtration): các loại phèn

nhôm, sắt, boron đều thích hợp cho việc khử arsenic tùy theo điều kiện pH của nguồn nước

+ Phương pháp dùng vôi sống: Phương pháp nầy có thể khử được arsenic ở độ

pH cao vào khoảng 10 đơn vị (pH của nước trung hòa là 7 đơn vị) Một bất tiện của phương pháp nầy là phải hạ thấp độ pH của nước sau khi khử arsenic

+ Phương pháp dùng nhôm hoạt tính (activated alumina): Phương pháp nầy

dựa theo tính hấp phụ của nhôm rất thích hợp cho các vùng nước có độ rắn hòa tan cao (total dissolved solids) Tuy nhiên các nguyên tố khác như Fluor, Selenium, Chloride và Sulfate sẽ làm giảm hiệu ứng hấp phụ của nhôm Phương pháp này không thích hợp cho điều kiện ở ĐBSCL vì có sự hiện diện của chloride và sulfate

+ Phương pháp trao đổ ion (ion exchange): Phương pháp dựa theo tính ái lực

(affinity) đối với arsenic của một số ion Tuy nhiên phương pháp này vẫn không áp dụng được cho ĐBSCL vì đắt tiền và đòi hỏi một trình độ khoa học kỹ thuật cao khi

sử dụng

+ Phương pháp dựa theo nguyên lý thẩm thấu nghịch (reverse osmosis): Đây là

một phương pháp rất thực dụng cho những vùng ít dân cư và tác dụng khử rất cao đạt trên 95%

Những phương pháp căn bản trên đang được áp dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ tùy theo điều kiện dân số, địa lý, mỗi phương pháp được khai triển riêng biệt hay tổng hợp Tuy nhiên một vấn đề cho tất cả mọi phương pháp xử lý arsenic là làm thế nào để giải quyết việc bảo trì các hệ thống khử arsenic và xử lý bùn (sludge) vì trong quá trình khử chất phế thải sẽ có nồng độ arsenic rất cao Hoa kỳ đã dùng phương pháp ổn định (stabilization) hay bao bọc (encapsulation) để xử lý phế thải này

1.4.1.2 Tại Bangladesh

Có ba phương hướng giải quyết vấn nạn nhiễm độc tại Bangladesh:

+ Tìm nguồn nước sạch không chứa arsenic bằng cách khoan giếng ở các mạch nước ngầm sâu hơn UNICEF đang thử nghiệm phương pháp này (Mortoza S., 1999, The Road to Hell, NFB, July 27) Phương pháp này rất tốn kém và cũng không mang lại an toàn cho người dân vì hầu hết ở nhiều nơi arsenic vẫn còn hiện diện dù ở độ rất sâu

+ Cách tiếp cận thứ hai là phương pháp lọc Các hệ thống lọc gồm hạt sắt (Fe) pha trộn lẫn với cát nhuyễn và để trong các ống hình trụ Nước giếng đã được khử bằng sulfate barium (BaSO4) và chảy xuyên qua hệ thống lọc trên Arsenic có trong nước sẽ kết hợp với sulfate sắt vừa được cấu tạo và cho ra chất kết tủa arseno-pyrite bị giữ lại trong các ống lọc Phương pháp này có thể làm giảm nồng độ arsenic xuống thấp hơn 1ug/L (Lepkowski, W., 1998 Arsenic Crisis in Bangladesh CEN 76 (46): 27- 29)

+ Cách tiếp cận thứ ba hiện đang được áp đụng rộng rãi cho trường hợp Bangladesh là trở về phương pháp dùng nước mặt (surface water) cho sinh hoạt Nước mặt trước khi dùng cần phải nấu sôi hay khử bằng sulfate nhôm hoặc các muối sắt Tuy nhiên, đa số người dân Bangladesh không thể áp dụng phương pháp đun sôi vì điều kiện về nhiên vật liệu không cho phép Việc áp dụng một số hóa chất trên đòi hỏi kiến thức khoa học do đó cũng gây trở ngại nhiều cho dân chúng Sau cùng việc xử dụng hệ thống khử trùng bằng tia cực tím đang được cổ súy và người dân có thêm tài trợ trong việc áp dụng phương pháp này (Mortoza, S., 1998 Arsenic Poisoning: No

Time to Lose NFB December 14) Tác giả trên đã ước tính chi phí cho việc khử 1m3nước là 4 xu Hoa kỳ

Mùa mưa ở Bangladesh bắt đầu từ tháng sáu đến tháng chín và có vũ lượng vào khoảng 2000 mm/năm Việc khuyến khích cũng như việc cung cấp thùng chứa nước cho người dân để trữ nước mưa cũng là một phương cách tiếp cận “sạch” và rẽ tiền trong điều kiện của Bangladesh

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Viện Địa lý và Viện Nghiên cứu địa chất và khoáng sản đã thí nghiệm và sản xuất vật liệu hấp phụ có khả năng làm sạch và giảm lượng arsenic Quy trình sử dụng loại vật liệu này không phức tạp, chỉ cần cho vật liêu vào khuấy đánh phèn, sau 20 phút nước lắng trong là được; nếu cho lọc nhanh qua cát hiệu quả lọc càng cao Sơ bộ giá thành khoảng 1.800 – 2.000 đồng VN/m3 nước Giải pháp này có thể làm giảm hàm lượng arsenic còn 30 – 50 ug/L , thấp hơn hoặc xấp xỉ tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam (Báo Lao Động ngày 9/8/2000)

Một phương pháp khác do Viện Hóa học Công nghiệp sản xuất gồm một bộ lọc dùng một số khoáng chất có khả năng phân tích để loại thạch tín (arsenic) ra khỏi nguồn nước Thiết bị được làm bằng nhựa tổng hợp PVC, nạp vật liệu là khoáng vật

có sẳn trong tự nhiên, không gây phản ứng phụ Thiết bị này làm sạch vật liệu bằng rửa ngược (back wash) một lần/năm, sau mười năm mới bổ sung vật liệu Hiệu quả lọc đạt tiêu chuẩn Việt Nam và Tổ chức Y tế thế giới (WHO) Giá thành từ 450.000 – 500.000 đồng VN/bộ lọc (Báo Lao Động ngày 4/9/2000)

Giải pháp loại arsenic ra khỏi nước ngầm Theo Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam, dùng phương pháp oxy hóa thông thường và ánh sáng mặt trời có thể loại trừ được các tạp chất, đặc biệt là arsenic ra khỏi nước ngầm Arsenic có thể được hấp thụ lên bề mặt của các vật liệu dạng hạt (hạt sét hay vật liệu gốc celluloz), bởi vậy theo chỉ cần dùng phương pháp lọc bằng cách cho nước thô đi qua khối vật liệu bằng cát, than hoạt tính, vải lọc để giữ lại các chất bẩn như bùn, sét, các hạt hữu cơ, các hợp chất kết tủa của sắt và mangan, vi khuẩn và arsenic Bên cạnh đó, chỉ cần sục không khí vào nước, có thể oxy hóa arsenic và sắt có trong nước Phản ứng oxy hóa quang hóa được tăng cường hiệu suất khi nhỏ thêm vài giọt chanh hoặc nước vôi đặc

Trong các phương pháp kể trên, tuy viện Nghiên cứu Địa chất và Viện Hóa học không ghi minh bạch vật liệu lọc là “khoáng chất” có đặc tính hóa học và công thức như thế nào, nhưng qua tư liệu và các nghiên cứu về việc xử lý arsenic trên thế giới,

“khoáng chất” nói trên chỉ có thể là các loại phèn sulfate hay borax Thêm nữa, ngoài các hệ thống sàng lọc để khử arsenic, vấn đề giải quyết chất phế thải trong đó hàm lượng arsenic rất cao không được quan tâm đến Và nếu nước rửa hệ thống lọc và bùn phế thải được trả về lòng đất trở lại, cuối cùng arsenic dù đã được lọc sạch trong nước nhưng vẫn còn hiện diện trong bùn phế thải sẽ trở về chu kỳ ô nhiễm ban đầu