NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC NGẦM Ô NHIỄM ASEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXI – QUANG HÓA TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Ở CÁC VÙNG NÔNG THÔN

Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàng đầu ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Tại Việt Nam, nước ngầm được sử dụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Sự có mặt của Asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôn tại Việt Nam đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏe con người. Bên cạnh đó tác hại của Asen đối sức khỏe chưa được cảnh báo đầy đủ đến người dân. Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm 2010, hiện có 21% dân số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quá mức cho phép và tình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặc biệt ở khu vực đồng bằng sông Hồng 3.

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN HUỆ - HÀ ĐÔNG

**************

ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ

LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).

PHƯƠNG PHÁP OXI – QUANG HÓA TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ Ở

CÁC VÙNG NÔNG THÔN

Lĩnh vực: Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

- TS Lê Văn Chiều

- Đơn vị công tác: TT nghiên cứu Công nghệ

môi trường và phát triển bền vững – Trường

Đại học KHTN – Đại học Quốc gia Hà Nội

Hà Nội, thỏng 12 năm 2014

Lời cảm ơn

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với

TS Lê Văn Chiều và ThS.Nguyễn Thị Liên đã tận tình hớng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trờng THPT chuyên Nguyễn Huệ, cha

mẹ, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ và động viên chúng em hoàn thành đề tài này.

Hà Nội, thỏng 12 năm 2014 Nhúm tỏc giả đề tài

Lờ Tựng Sơn – Nguyễn Sơn Khuờ

M c l ục lụ ục lục

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Tớnh sỏng tạo của đề tài 5

3 Lợi ớch của đề tài 5

4 Nhiệm vụ của đề tài 5

Chương 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về Asen 6

1.1.1 Asen 6

1.1.2 Tỏc hại của Asen đối với sức khỏe 6

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam 7

1.2.1 Nước ngầm 7

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam 7

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm 8

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa 8

1.3.2 Xử lý bằng bể lắng 8

1.3 3 Xử lý bằng bể lọc 8

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác) 9

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa 9

1.3.6 Oxi hóa 10

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài 10

Chương 2 THỰC NGHIỆM 12

2.1 Dụng cụ và hóa chất: 12

2.2 Thu mẫu nước: 12

2.3 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong mẫu nước ngầm 12

2.4 Các bước làm một thí nghiệm 13

2.5 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 14

2.6 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 14

2.7 Xử lí Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 14

2.8 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 14

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 15

3.1 Thu mẫu nước 15

3.2 Khảo sát hàm lượng Sắt và Asen trong các mẫu nước ngầm 15

3.3 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Asen 16

3.4 Ảnh hưởng của H2O2 đến khả năng oxi – hóa Asen(III) 17

3.5 Xử lý Asen trong nước có hàm lượng sắt ít 18

3.6 Kiểm tra E.Coli và Coliform trong nước sau xử lý 18

KẾT QUẢ 20

Định hướng trong thời gian tới 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ô nhiễm nước đang là vấn đề nóng bỏng và là mối quan tâm hàngđầu ở Việt Nam cũng như trên thế giới Tại Việt Nam, nước ngầm được sửdụng làm nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư Sự cómặt của Asen trong nước ngầm tại nhiều khu vực, nhất là vùng nông thôntại Việt Nam đã và đang gây ra những nguy cơ cho sức khỏe con người.Bên cạnh đó tác hại của Asen đối sức khỏe chưa được cảnh báo đầy đủ đếnngười dân Theo thống kê của Bộ Y tế, tính đến năm 2010, hiện có 21% dân

số Việt Nam đang dùng nguồn nước nhiễm asen vượt quá mức cho phép vàtình trạng nhiễm độc asen ngày càng rõ rệt và nặng nề trong dân cư, đặcbiệt ở khu vực đồng bằng sông Hồng [3]

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làmgiảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo QCVN 02: 2009/BYThoăc tiêu chu n v ṇc tiêu chuẩn về n ẩn về n ề n ươc u ng ćc uống c ống c ủa Tổ chức Y tế Thế giới (World HealthOrganization - WHO) nhưng các phương pháp đó ch có th thỉ có thể th ể th ưc hi n ̣c tiêu chuẩn về n ện đươc̣c tiêu chuẩn về nvơi nh́c uống c ưng h th ng x̃ng hệ thống x ện ống c ư lý n̉ lý n ươc c p v́c uống c ấp v ơi công ngh phù h́c uống c ện ơp, qui mô ḷc tiêu chuẩn về n ơn ́c uống c ở lý ncác đô th , thành ph có kinh t phát tri n Còn các khu vị, thành phố có kinh tế phát triển Còn các khu v ống c ế phát triển Còn các khu v ể th ưc nông thôṇc tiêu chuẩn về nnghèo, vùng sâu, vùng xa thì các công ngh vện ẫn chưa được phổ biến và sửdụng một cách rộng rãi do h n ch v trình ạn chế về trình ế phát triển Còn các khu v ề n đ dân trí, kinh phí và bộ dân trí, kinh phí và b ất tiệntrong việc vận hành và bảo trì

Phương pháp người dân thường áp dụng theo kinh nghi m ện đ gi mể th ảmthi u/lo i b sể th ạn chế về trình ỏ s ăt và asen trong ńc uống c ươc gi ng khoan là b ĺc uống c ế phát triển Còn các khu v ể th ọc cát đơn gi nảmnhưng đôi khi hiệu quả lại không cao do vi c v sinh, b o trì không ện ện ảm đ mảm

b o ảm

Với mong muốn góp phần giúp người dân có cơ hội được sử dụngnguồn nước sạch băng nh̀ng nh ưng bi n pháp, ph̃ng hệ thống x ện ương ti n ện đơn gi n cùng vảm ớinhững kiến thức đã học, sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu chúng

em quyết định chọn đề tài:

“Nghiên cứu xử lý nước ngầm ô nhiễm Asen bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thực tế ở các vùng nông thôn”

Trong đề tài này, chúng em sử dụng các đi u ki n, nguyên liề n ện ệu cósẵn, dễ kiếm như ánh sáng mặt trời, chanh, nước oxi già (dung dịch H2O2),đinh sắt gỉ để sử lý nước nhiễm Asen

2 Tính sáng tạo của đề tài

- Chỉ với nước cốt chanh, chai nhựa, giấy nhôm, dung dịch H2O2…(dụng cụ và nguyên liệu dễ kiếm, không độc hại) kết hợp với ánh sáng mặttrời để loại bỏ Asen ra khỏi nước ngầm, đồng thời khử trùng nước Thao tácthực hiện đơn giản, có thể truyền đạt rộng rãi để người dân áp dụng

- Đ i vống c ơi ngu n ńc uống c ồn n ươc có thành ph n śc uống c ần s ăt và Asen cao, c n b sunǵc uống c ần s ổ sungthêm tác nhân oxi hóa (như H2O2) nhăm t̀ng nh ăng khả năng oxi hóa Asen(III)thành Asen (V)

- Đ i vống c ơi ngu n ńc uống c ồn n ươc có thành ph n śc uống c ần s ăt th p: b sung thêm śc uống c ấp v ổ sung ăt́c uống c(dùng đinh săt ǵc uống c ỉ) với mục đích tạo thêm chất hấp phụ Asen

3 Lợi ích của đề tài

- Góp ph n chần s ưng minh kh ńc uống c ảm ăng lo i b asen trong nạn chế về trình ỏ s ươc b́c uống c ăng̀ng nhphương pháp oxi – quang hóa trong đi u ki n thề n ện ương v̀ng nh ơi nh́c uống c ưng nguyên v t̃ng hệ thống x ật

li u ện đơn gi n sảm ăn có và t n d ng ánh sáng m̃ng hệ thống x ật ụng ánh sáng m ăt tṛc tiêu chuẩn về n ơi làm ngu n ǹng nh ồn n ăng lương̣c tiêu chuẩn về ncho quá trình oxi hóa và khư trùng ̉ lý n

- Góp phần tuyên truyền để người dân sống trong những vùng nôngthôn có ngu n nồn n ươc b́c uống c ị ô nhiễm asen có thể tự làm giảm thiểu/lo i b asenạn chế về trình ỏ s

và khư trùng n̉ lý n ước đ ể th ăn u ng, sinh ho t bống c ạn chế về trình ăng ph̀ng nh ương pháp đơn gi n, dảm ễthưc hi n nḥc tiêu chuẩn về n ện ằm bảo vệ sức khỏe cho chính mình và c ng ộ dân trí, kinh phí và b đ ng.ồn n

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hi u nhể th ưng ngu n ñng hệ thống x ồn n ươc b ô nhi m asen ́c uống c ị, thành phố có kinh tế phát triển Còn các khu v ễ ơ ̉ lý n đ a phị, thành phố có kinh tế phát triển Còn các khu v ương đ lể th ưạc tiêu chuẩn về n

ch n m u nọn mẫu n ẫu n ươc ́c uống c đ ti n hành thí nghi m.ể th ế phát triển Còn các khu v ện

- Lấy các mẫu nước giếng khoan tại những vùng có nhiều Asen, xácđịnh hàm lượng sắt và Asen trong các mẫu đó

- Ti n hành thí nghi m vế phát triển Còn các khu v ện ơi các ḿc uống c ưc ́c uống c đ b sung tộ dân trí, kinh phí và b ổ sung ăng d n nhần s ăm so sánh̀ng nh

kh nảm ăng lo i b As:ạn chế về trình ỏ s

 Không có tác đ ng bên ngoài.ộ dân trí, kinh phí và b

 Sư d ng ánh sáng m̉ lý n ụng ánh sáng m ăt tṛc tiêu chuẩn về n ơi.̀ng nh

 Sư d ng ánh sáng m̉ lý n ụng ánh sáng m ăt tṛc tiêu chuẩn về n ơi v̀ng nh ơi các ĺc uống c ương ṇc tiêu chuẩn về n ươc chanh khác nhau nh́c uống c ăm̀ng nhtìm ra đi u ki n pH t i ề n ện ống c ưu cho kh nảm ăng lo i b As.ạn chế về trình ỏ s

 B sung tác nhân oxi hóa (Hổ sung 2O2).

 B sung ổ sung đinh săt ǵc uống c ỉ nhăm t̀ng nh ăng cương quá trình h p ph As ̀ng nh ấp v ụng ánh sáng m

- L y m u nấp v ẫu n ươc sau thí nghi m ́c uống c ện đem đi phân tích kết quả sắt và Asen

- Đ ng thồn n ơi kìng nh ểm tra nước sau xử lý còn khuẩn E.coli và Coliform không

có thể tồn tại trong hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ với bốn mức hóa trị là: -3,

0, +3 và +5 Trong nước tự nhiên, As tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô

cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)] As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của Astrong nước bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của As trong nước ngầm

1.1.2 Tác hại của Asen đối với sức khỏe

Ngộ độc asen là các bệnh kinh niên do sử dụng nước uống cóchứa asen ở nồng độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiều hợpchất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm) Asen phá vỡ việcsản xuất ATP thông qua vài cơ chế Ở cấp độ của chu trình axít citric, asen

ức chế pyruvat dehydrogenaza và bằng cách cạnh tranh với phốtphat nótháo bỏ ph ố tphorylat hóa ôxi hóa , vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liênquan tới năng lượng, hô hấp của ti th ể và tổng hợp ATP Sản sinh củaperôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạthóa và sức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết

từ h ộ i ch ứ ng r ố i lo ạ n ch ứ c n ă ng đ a c ơ quan Các hiệu ứng bao gồm sự thayđổi màu da, sự hình thành của các vết cứng trên da, ung th ư da , ung th ư ph

ổ i , ung th ư th ậ n và bàng quang cũng như có thể dẫn tới ho ạ i t ử T ổ ch ứ c

y t

ế th ế gi ớ i (WHO) đã đề nghị mức giới hạn của asen là 0,01 mg/L trongnước uống

1.2 Tìm hiểu về nước ngầm Việt Nam

1.2.1 Nước ngầm

Nước ngầm là chỉ loại nước nằm bên dưới bề mặt đất trong các khônggian r ỗ ng của đấ t và trong các khe nứt của các thành tạo đá, và các khônggian rỗng này có sự liên thông với nhau Một đơn vị đá hoặc các dạng tích

tụ vật liệu không cố kết được gọi là t ầ ng ch ứ a khi nó có thể cung cấp mộtlượng nước có thể sử dụng được Ở Việt Nam việc khai thác nước ngầm làphổ biến, các hình thức: gi ế ng đ ào , gi ế ng khoan , giếng khoan nhà máynước Đối với nhiều đô thị, chẳng hạn như Hà N ộ i , nguồn cung cấp nướcchủ yếu là nước ngầm

1.2.2 Thực trạng ô nhiễm Asen trong nước ngầm ở Việt Nam

Vì ở trong điều kiện yếm khí (anaerobic), hầu hết arsenic trong nướcngầm ở Việt Nam ở dưới dạng arsenite [As(III)], một hợp chất arsenic hữu

cơ có độc tính cao nhất Khi tiếp xúc với không khí hay tia tử ngoại (ultraviolet), arsenite bị oxy hóa thành arsenate [As(V)] ít độc hơn Khu vực bị ônhiễm Asen cao nhất là ở đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu

Long ÐBSH và ÐBSCL được cấu tạo bởi phù sa mới trong thời kỳ Holocene

và Pleistocene nên nước ngầm ở hai vùng nầy có đặc tính gần giống nhau,

đó là chứa nhiều sắt (iron), manganese, và ammonium Kết quả phân chấtcho thấy nồng độ của sắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình2,26 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở An Giang và Ðồng Tháp vào năm

2004 và 48 mg/l (trung bình 13 mg/l) trong các mẩu nước ngầm ở gần HàNội vào năm 2002 [24] Sự hiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loạitrừ hoặc làm giảm nồng độ arsenic trong nước ngầm, vì arsenate kết hợpvới Fe(III) để thành FeAsO4 rồi bị loại ra khỏi nước ngầm khi kết tủa vớiFe(OH)3 Khu vực đồng bằng 10ung Hồng bao gồm Hà Nội và các tỉnhphía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asencao

Bản đồ các khu vực nhiễm Asen trên toàn quốc

1.3 Các phương pháp xử lý asen trong nước ngầm

1 3.1 Xử lý bằng công nghệ xử lý giàn mưa

Nước nguồn hay nước giếng khoan thường tồn tại dưới dạng Fe2+,

Mn2+ Giàn mưa có tác dụng oxy hoá chuyển đổi thành Fe3+ và Mn4+ và

một số tác nhân mang tính khử khác như As (III) cũng được oxy hoá lượngnhỏ

Bể lọc được sử dụng các lớp vật liệu lọc như than hoạt tính, cát, sỏi…Nước

sẽ thấm qua lớp than hoạt tính có tác dụng hấp thụ các chất độc hại, cácloại vi sinh vật nguy hiểm và trung hoà khoáng chất khó tan trong nước,sau đó nước tiếp tục thấm qua lớp cát và lớp sỏi

1.3.4 Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác)

Trong công nghệ NanoVAST, một hệ thống tiền xử lý theo kỹ thuậtthông thường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ Nhiệm vụ của hệ thốngnày là bão hòa oxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… và qua đógiảm tối đa nồng độ asen và các chất rắn lơ lửng Hiệu quả làm việc của hệthống này là rất quan trọng nhằm giảm tải và chống làm bẩn các chất hấpphụ Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này có thể được thiết kế khácnhau

Ưu điểm: Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 hấp phụ với tốc độ nhanh

với dung lượng rất cao, khi cân bằng nồng độ asen trong nước nhỏ hơn tiêuchuẩn cho phép (10 ppb) Việc ghép nối hệ thống tiền xử lý với hệ thống lọcnano trên nền vật liệu NC-F20 và NC-MF cho phép kéo dài thời gian làmviệc do nồng độ asen đầu vào của cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời giansống của NC-MF và NC-F20 và làm giảm giá thành

Nhược điểm: Việc kết nối Nano VAST với hệ thống tiền xử lý thông

thường (oxy hóa, lắng, lọc) vẫn sinh ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng) chứanồng độ cao của asen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bị lắng.Thiết bị lọc thô và vật liệu CIM…)

1.3.5 Keo tụ - Kết tủa

Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặcmangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên Đây là phương pháp xử lý đơngiản nhất, bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng

để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa Asen (III)được oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt củacác bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo thành và lắng xuống đáy bể,hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc Nghiên cứu củaTrung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), Trường ĐHXD và Trung tâm CNMT

& PTBV (CETASD), Trường ĐHKHTN năm 2000 – 2002 cho thấy công nghệhiện đại có tại các nhà máy nước ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt vàmangan, cho phép loại bỏ 50 – 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâukhu vực Hà Nội Nghiên cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môitrường Liên bang Thụy Sĩ cho thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếngkhoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làmthoáng nước ngầm bằng cách phun mưa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm),phổ biến ở các hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80% Asen trongnước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu nàycũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phươngpháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nướcnguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấpdưới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương pháp khác

1.3.6 Oxi hóa

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép

sử dụng trong cấp nước như Clo, KmnO4, H2O2, Ozon

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp

dùng điện cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mônhỏ

Oxy- quang hóa: Công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất

hòa tan khác như Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi nước bằng cách đưa chấtoxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vào nước rồi sau

đó lắng) Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụquang hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời