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

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làm giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02: 2009/BYT hoặc tiêu chuẩn về nước uống của Tổ chứ

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

Mục lục

MỞ ĐẦU 4

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Tính sáng tạo của đề tài 5

3 Lợi ích 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 Tác 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 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]

Mặc dù có nhiều phương pháp cho hiệu quả cao để loại trừ hoặc làm giảm nồng độ asen trong nước xuống dưới 10 μg/l theo g/l theo QCVN 02: 2009/BYT hoặc tiêu chuẩn về nước uống của Tổ chức Y tế Thế giới (World Health Organization - WHO) nhưng các phương pháp đó chỉ có thể thực hiện được với những hệ thống xử lý nước cấp với công nghệ phù hợp, qui mô lớn ở các đô thị, thành phố có kinh tế phát triển Còn các khu vực nông thôn nghèo, vùng sâu, vùng xa thì các công nghệ vẫn chưa được phổ biến và sử dụng một cách rộng rãi do hạn chế về trình độ dân trí, kinh phí

và bất tiện trong việc vận hành và bảo trì

Phương pháp người dân thường áp dụng theo kinh nghiệm để giảm thiểu/loại

bỏ sắt và asen trong nước giếng khoan là bể lọc cát đơn giản nhưng đôi khi hiệu quả lại không cao do việc vệ sinh, bảo trì không đảm bảo

Với mong muốn góp phần giúp người dân có cơ hội được sử dụng nguồn nước sạch bằng những biện pháp, phương tiện đơn giản cùng với những 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 điều kiện, nguyên liệu có sẵn, 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 mặt trời để loại bỏ Asen

ra khỏi nước ngầm, đồng thời khử trùng nước Thao tác thực hiện đơn giản, có thể truyền đạt rộng rãi để người dân áp dụng

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt và Asen cao, cần bổ sung thêm tác nhân oxi hóa (như H2O2) nhằm tăng khả năng oxi hóa Asen(III) thành Asen (V)

- Đối với nguồn nước có thành phần sắt thấp: bổ sung thêm sắt (dùng đinh sắt gỉ) với mục đích tạo thêm chất hấp phụ Asen

3 Lợi ích của đề tài

- Góp phần chứng minh khả năng loại bỏ asen trong nước bằng phương pháp oxi – quang hóa trong điều kiện thường với những nguyên vật liệu đơn giản sẵn có và tận dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng cho quá trình oxi hóa và khử trùng

- Góp phần tuyên truyền để người dân sống trong những vùng nông thôn có nguồn nước bị ô nhiễm asen có thể tự làm giảm thiểu/loại bỏ asen và khử trùng nước

để ăn uống, sinh hoạt bằng phương pháp đơn giản, dễ thực hiện nhằm bảo vệ sức khỏe cho chính mình và cộng đồng

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Tìm hiểu những nguồn nước bị ô nhiễm asen ở địa phương để lựa chọn mẫu nước để tiến hành thí nghiệm

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

- Tiến hành thí nghiệm với các mức độ bổ sung tăng dần nhằm so sánh khả năng loại bỏ As:

 Không có tác động bên ngoài

 Sử dụng ánh sáng mặt trời

 Sử dụng ánh sáng mặt trời với các lượng nước chanh khác nhau nhằm tìm ra điều kiện pH tối ưu cho khả năng loại bỏ As

 Bổ sung tác nhân oxi hóa (H2O2)

 Bổ sung đinh sắt gỉ nhằm tăng cường quá trình hấp phụ As

- Lấy mẫu nước sau thí nghiệm đem đi phân tích kết quả sắt và Asen

- Đồng thời kiểm tra nước sau xử lý còn khuẩn E.coli và Coliform không.

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về Asen

1.1.1 Asen

Asen (As) là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong vỏ trái đất, thứ 14 trong nước biển và thứ 12 trong cơ thể con người As là nguyên tố hóa học thuộc phân nhóm chính nhóm V trong bảng Hệ thống tuần hoàn Mendeleep As 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 As trong 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 có chứa asen ở nồng

độ cao trong một khoảng thời gian dài (Asvà nhiều hợp chất của nó là những chất độc cực kỳ có hiệu nghiệm) Asen phá vỡ việc sản 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 nó tháo bỏ phốtphorylat hóa ôxi hóa, vì thế ức chế quá trình khử NAD+ có liên quan tới năng lượng, hô hấp của ti thể và tổng hợp ATP Sản sinh của perôxít hiđrô cũng tăng lên, điều này có thể tạo thành các dạng ôxy hoạt hóa và sức căng ôxi hóa Các can thiệp trao đổi chất này dẫn tới cái chết từ hội chứng rối loạn chức năng đa cơ quan Các hiệu ứng bao gồm sự thay đổi màu da, sự hình thành của các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang cũng như có thể dẫn tới hoại tử Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã đề nghị mức giới hạn của asen là 0,01 mg/L trong nước 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 không gian rỗng của đất và trong các khe nứt của các thành tạo đá, và các không gian 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 tầng chứa khi nó có thể cung cấp một lượng nước có thể sử dụng được Ở Việt Nam việc khai thác nước ngầm là phổ biến, các hình thức: giếng đào, giếng khoan, giếng khoan nhà máy nước Đối với nhiều đô thị, chẳng hạn như Hà Nội, nguồn cung cấp nước chủ 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 nước ngầm 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 (ultra violet), arsenite bị oxy hóa thành arsenate [As(V)] ít độc hơn Khu vực bị ô nhiễm 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 chất cho thấy nồng độ của sắt có thể lên đến 56 milligram/lít (mg/l) (trung bình 2,26 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 Hà Nội vào năm 2002 [24] Sự hiện diện của sắt rất quan trọng trong việc loại trừ hoặc làm giảm nồng độ arsenic trong nước ngầm, vì arsenate kết hợp với Fe(III) để thành FeAsO4 rồi bị loại ra khỏi

nước ngầm khi kết tủa với Fe(OH)3 Khu vực đồng bằng 8ung Hồng bao gồm Hà Nội

và các tỉnh phía nam Hà Nội như Hà Nam là những khu vực có hàm lượng Asen cao

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 lượng nhỏ

1.3.2 Xử lý bằng bể lắng

Đây là phương pháp sử lý Asen mà dân gian thường sử dụng, phương pháp này cũng gần giống với giàn mưa chỉ khác là nước được lắng tĩnh và dùng ánh nắng mặt

trời và oxy để lắng và loại bỏ Asen.

1.3 3 Xử lý bằng bể lọc

Tuỳ theo điều kiện sử dụng, có thể xây dựng bể theo kích thước khác nhau

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, các loại 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 thuật thông thường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ Nhiệm vụ của hệ thống này là bão hòa oxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… và qua đó giảm tối đa nồng độ asen

và các chất rắn lơ lửng Hiệu quả làm việc của hệ thống này là rất quan trọng nhằm giảm tải và chống làm bẩn các chất hấp phụ Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này

có thể được thiết kế khác nhau

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 tiêu chuẩn cho phép (10 ppb) Việc ghép nối hệ thống tiền xử lý với hệ thống lọc nano trên nền vật liệu NC-F20 và NC-MF cho phép kéo dài thời gian làm việc do nồng độ asen đầu vào của cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời gian sống 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) chứa nồng 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/hoặc mangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên Đây là phương pháp xử lý đơn giản 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 của các 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 của Trung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), Trường ĐHXD và Trung tâm CNMT & PTBV (CETASD), Trường ĐHKHTN năm 2000 – 2002 cho thấy công nghệ hiện đại có tại các nhà máy nước ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, cho phép loại bỏ 50 – 80% Asen có trong nước ngầm mạch sâu khu vực Hà Nội Nghiên cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trường Liên bang Thụy Sĩ cho

thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lượng sắt cao trong nước ngầm, mô hình làm thoáng 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 trong nước ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới 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 mô nhỏ

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 chất oxy 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 phụ quang hóa 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 hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3 Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này

1.4 Cơ sở lí thuyết của đề tài

Trên cơ sở nguyên lý phản ứng oxi hóa quang hóa với nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời, kết hợp điều chỉnh pH bằng nước cốt chanh phù hợp cho quá trình oxi hóa Fe(II) thành Fe(III), As(III) thành As(V), làm tăng cường khả năng hấp phụ As(V) trên hiđroxit sắt mới sinh dẫn đến làm tăng khả năng loại bỏ As trong nước

Nước ngầm khi vừa lấy lên thường chứa nhiều sắt (II) và Asen (III) Sắt ở trong nước ngầm sẽ được sử dụng để tạo chất hấp phụ asen Khi phơi nắng cho thêm chanh thì xảy ra các quá trình sau:

Fe(II) hv,chanh  Fe(III) dạng FeOOH

As(III) (asenit)  hv As(V) (asenat)

Sắt hiđroxit mới sinh có khả năng hấp phụ asen dạng asenat tốt nhất As(V) hấp phụ trên bề mặt của kết tủa FeOOH và lắng xuống dưới

Với việc sử dụng các tấm giấy thiếc hoặc nhôm được gấp lại làm tăng cường khả năng phản xạ, tích tụ nhiệt và các tia UV trong ánh sáng mặt trời vào khối nước tạo điều kiện cho phản ứng quang hóa diễn ra triệt để, đồng thời cho phép diệt khuẩn, đảm bảo nước sau xử lý an toàn về mặt sinh học

Chương 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Dụng cụ và hóa chất:

- Chai nhựa Lavie loại 500 ml; 350 ml

- Dung dịch HNO3 (xuất xứ: Trung Quốc)

- Dung dịch H2O2 3% (nước oxi già) có thể mua ở các hiệu thuốc thông thường

- Nước cất 2 lần, chanh, giấy nhôm

- Đo tại: Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công nghiệp thực phẩm (địa chỉ: 301 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội)

2.2 Thu mẫu nước:

Nước ngầm được lấy tại 3 địa điểm là xã Hồng Dương, huyện Thanh Oai; xã Đông La, huyện Hoài Đức; quận Hà Đông (HĐ1), Hà Nội

Tiến hành làm thực nghiệm ngay sau khi nước được lấy lên Nước chưa đem phân tích được phải bảo quản trong tủ lạnh (4oC)

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

Lấy các mẫu nước ngầm đã chọn để đo nồng độ Fe và As ban đầu có trong các mẫu nước đó tại Trung tâm phân tích và giám định thực phẩm quốc gia – Viện Công nghiệp thực phẩm Kí hiệu các mẫu như sau: Thanh Oai (TO1); Đông La, Hoài Đức

(ĐL1); Hà Đông (HĐ1)

Hình 2.1: Lấy nước ngầm ở Đông La, Hoài Đức, Hà Nội

Mỗi một thí nghiệm sẽ được làm theo các bước sau: + Cho 400 ml nước ngầm vào chai Lavie loại 500ml (chai

đã được tráng sạch bằng dung dịch axit nitric loãng, sau

đó tráng bằng nước cất)

+ Thêm các điều kiện cần khảo sát vào chai (ví dụ: nước cốt chanh, dung dịch H2O2 3% , )

+ Nút kín, lắc mạnh trong khoảng 30 giây để oxi tan tối đa trong nước

+ Phơi nắng trong một ngày từ 7.00h đến 17.00h: chai được đặt nằm ngang và tốt