simultaneous removal of arsenic and ammonia from groundwater by phytofiltration with cattails (typha spp.) cultivation tt

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o0o NGUYỄN TIẾN CỬ SIMULTANEOUS REMOVAL OF ARSENIC AND AMMONIA FROM GROUNDWATER BY PHYTOFILTRATION WITH CATTAILS (TYPHA SPP.) CULTIVATION LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ CHẤT THẢI VÀ XỬ LÝ VÙNG Ô NHIỄM (CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO QUỐC TẾ) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LÊ VĂN CÁT HÀ NỘI – NĂM 2008 2 HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE TECHNISCHE UNIVERSITAT DRESDEN NGUYEN TIEN CU SIMULTANEOUS REMOVAL OF ARSENIC AND AMMONIA FROM GROUNDWATER BY PHYTOFILTRATION WITH CATTAILS (TYPHA SPP.) CULTIVATION MASTER THESIS FIELD: WASTE MANAGEMENT AND CONTAMINATED SITE TREATMENT SUPERVISOR: ASSC. DR. LE VAN CAT HANOI-2008 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 5 DANH MỤC SƠ ĐỒ 5 LỜI CẢM ƠN 6 PHẦN MỞ ĐẦU 7 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 10 1.1. Các nguồn nƣớc và Tiêu chuẩn cho nguồn nƣớc uống 10 1.1.1. Các nguồn nước: 10 1.1.2. Tiêu chuẩn cho nguồn nước uống 10 1.2. Tình hình ô nhiễm arsenic và ammonia nguồn nƣớc ngầm 11 1.2.1. Tình hình ô nhiễm arsenic nguồn nước ngầm: 11 1.2.2. Tình hình ô nhiễm ammonia nguồn nước ngầm 16 1.3. Các công nghệ xử lý 17 1.3.1. Công nghệ xử lý Arsenic 17 1.3.2. . Công nghệ xử lý Ammonia 19 1.4. Hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây 21 1.4.1. Đặc điểm hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây 21 1.4.2. Cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây 23 CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1. Chọn lọc cây 28 2.2. Chọn lọc đất trồng 29 2.3. Thiết kế và vận hành hệ xử lý 29 2.3.1. Trồng cây 29 2.3.2. Vận hành hệ xử lý 29 2.3.3. Pha chế nguồn nước bị nhiễm arsenic và ammonia 31 2.4. Lấy mẫu 31 2.5. Các phƣơng pháp phân tích mẫu 31 2 2.5.1. Đo giá trị pH 31 2.5.2. Xác định độ kiềm 31 2.5.3. Phân tích ammonia-nitrogen 32 2.5.4. Phân tích nitrite-nitrogen 34 2.5.5. Phân tích nitrate-nitrogen 36 2.5.6. Phân tích arsenic 37 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1. Quá trình phát triển sinh khối của cây cỏ nến Cattails (Typha spp.) 40 3.2. Hiệu quả xử lý arsenic 42 3.3. Hiệu quả xử lý ammonia 44 3.3.1. Ammonium-Nitrogen: 44 3.3.2. Nitrite-Nitrogen: 48 3.3.3. Nitrate-Nitrogen: 49 KẾT LUẬN 51 NHẬN XÉT VÀ TRIỂN VỌNG NGHIÊN CỨU 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 61 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Nguồn nước ngầm đang sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt tại hai vùng đồng bằng lớn nhất Việt Nam là Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long rất hay bị ô nhiễm, đặc biệt là arsenic và ammonia. Xác suất bắt gặp nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia có nồng độ cao từ 10 mg/L đến 30 mg/L khoảng 80% đến 90% tại một số điểm thuộc vùng Đồng bằng Sông Hồng [Le Van Cat, Tran Mai Phuong, 2005]. Tại Đồng bằng Sông Cửu Long, nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia cũng rất đáng báo động, giao động từ 0.1 mg/L đến 35 mg/L [M. Berg, 2006]. Bên cạnh đó, nguồn nước ngầm tại hai khu vực đồng bằng sông này cũng đang bị nhiễm bẩn arsenic với mức độ nghiêm trọng [WB, 2002]. Nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 3050 µg/L, nồng độ trung bình là 430 µg/L (với trên 48% vượt mức 50 µg/L và 20% vượt mức 150 µg/L) tại vùng đồng bằng Sông Hồng [Tran Hong Con, 2006]. Tại vùng Đồng bằng Sông Mekong, mức độ ô nhiễm arsenic trong nguồn nước ngầm cũng rất cao, nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 845 µg/L [M. Berg et al., 2006]. Như vậy, từ những con số thực tế đó có thể thấy rằng nhân dân đang sinh sống ở hai vùng đồng bằng lớn nhất nước ta đang phải sử dụng thường xuyên nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, đặc biệt là ô nhiễm arsenic và ammonia. Sức khỏe của người dân đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng do quá trình tích lũy các chất ô nhiễm nguy hại arsenic và ammonia. Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng, chủ yếu là các hộ gia đình sống ở các vùng nông thôn, cần thiết phải có những công nghệ xử lý nước thích hợp với điều kiện của họ. Cho đến nay, một số kỹ thuật xử lý nước đã được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam. Các phương pháp đó đã được kiểm nghiệm một phần trong ứng dụng thực tiễn 4 với các quy mô và phạm vi xử lý khác nhau. Tuy nhiên, khi ứng dụng các phương pháp xử lý này vào thực tiễn thì gặp một số khó khăn sau như vận hành phức tạp, đòi hỏi kỹ năng và kiến thức cao, chi phí xử lý cao, khó khăn trong việc bảo trì, bảo dưỡng, có thể xử lý triệt để một chất ô nhiễm, nhưng khó khăn trong việc xử lý đồng thời các chất ô nhiễm… Do vậy, đối với các nguồn nước ngầm bị nhiễm đồng thời arsenic và ammonia thì những khó khăn nêu trên càng lớn hơn vì phải áp dụng các công nghệ riêng lẻ trong một tổ hợp hệ thống xử lý phức tạp mới có thể xử lý triệt để các chất ô nhiễm. Với mong muốn phát triển một loại hình công nghệ xử lý với mục tiêu xử lý đồng thời arsenic và ammonia (và một số tạp chất khác) trong nước ngầm, phương thức vận hành đơn giản, chi phí thấp, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng…hệ thống xử lý theo phương pháp lọc kết hợp với trồng cây thích hợp được đề xuất nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, hệ xử lý lọc cát kết hợp với trồng cây cỏ nến (Typha spp.) được lựa chọn nhằm đánh giá khả năng xử lý của hệ lọc cát - thực vật đối với việc loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia trong nguồn nước máy bị ô nhiễm. 2. Mục đích nghiên cứu: 1. Kiểm tra khả năng xử lý loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia từ nguồn nước bị nhiễm hai loại chất này bằng phương pháp lọc kết hợp trồng cây Cỏ nến (Typha spp.) 2. Xây dựng và phát triển công nghệ xử lý tối ưu cho quá trình xử lý loại bỏ đồng thời arsenic và ammonia (và các chất ô nhiễm khác) từ nguồn nước ngầm, đạt tiêu chuẩn nước uống. 3. Giới hạn phạm vi nghiên cứu: 3.1. Phạm vi nghiên cứu của luận văn được giới hạn:  Sử dụng nguồn nước máy có đầu ra tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Sau đó, làm nhiễm bẩn nguồn nước máy này bằng các hợp chất arsenite As(III), arsenate As(V) và ammonia để tiến hành nghiên cứu, làm thí nghiệm; 5  Hệ xử lý ở quy mô “mô hình thí điểm”; o Các vấn đề nghiên cứu được giới hạn:  Phân tích hàm lượng arsenite, arsenate và ammonia đầu vào;  Phân tích hàm lượng arsenic, ammonia, nitrite và nitrate đầu ra;  Chỉ giới hạn trên một loại cây trồng: cây cỏ nến (Typha spp.) 4. Nhiệm vụ và nội dung thực hiện:  Thu thập và chọn lọc các loại thực vật có tiềm năng xử lý đồng thời arsenic và ammonia;  Tiến hành trồng cây và khảo sát, đánh giá khả năng xử lý đồng thời arsenic và ammonia giữa chúng;  Chọn ra cây thích hợp nhất: cây cỏ nến (Typha spp.);  Tiến hành nghiên cứu “thí điểm” khả năng xử lý arsenic và ammonia trong nước ngầm bằng phương pháp lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến;  Phân tích và đánh giá kết quả;  Kết luận và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 5. Cơ sở và tài liệu để thực hiện khóa luận:  Tình hình ô nhiễm đồng thời arsenic và ammonia trong nước ngầm tại Việt Nam;  Các tài liệu chuyên ngành (Tiếng Anh và Tiếng Việt) liên quan;  Các bài báo, tạp chí chuyên ngành (Tiếng Anh và Tiếng Việt) liên quan; 6. Phƣơng pháp nghiên cứu:  Phương pháp thu thập thông tin từ các nguồn tài liệu chuyên ngành liên quan;  Phương pháp điều tra và chọn lọc thông tin, số liệu một cách chính xác và trung thực nhất;  Phương pháp phân tích thống kê, xử lý số liệu. 6 7. Luận điểm bảo vệ:  Tình hình ô nhiễm nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động, đặc biệt là bị nhiễm bẩn arsenic và ammonia;  Tính cấp thiết của đề tài nhằm tìm ra hướng và công nghệ xử lý đồng thời arsenic và ammonia trong nước ngầm một cách hiệu quả nhất (cả về kinh phí và cách thức vận hành công nghệ);  Hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu; Trong đó nhấn mạnh đến hệ xử lý lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt;  Đưa ra một số giải pháp cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm xử lý đồng thời arsenic và ammonia đạt hiệu quả cao nhất. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn: Nghiên cứu đã đưa ra được một số kết quả và kết luận cơ bản nhằm xác lập cơ sở khoa học cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo:  Chọn lọc được một số cây có khả năng xử lý arsenic và ammonia hiệu quả;  Hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu;  Tối ưu hóa quá trình thiết kế hệ xử lý;  Đưa ra các vấn đề cần quan tâm trong các nghiên cứu tiếp theo. Đáp ứng nhu cầu thực tiễn:  Tình hình ô nhiễm nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động, đặc biệt là bị nhiễm bẩn arsenic và ammonia;  Cần thiết tìm ra hướng và công nghệ xử lý đồng thời arsenic và ammonia trong nước ngầm một cách hiệu quả nhất (cả về kinh phí và cách thức vận hành công nghệ);  Chứng minh hệ xử lý lọc kết lợp trồng cây là lựa chọn tối ưu; Trong đó nhấn mạnh đến hệ xử lý lọc cát kết hợp trồng cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt; 7  Nghiên cứu này cũng chính là một thông điệp gửi đến các cấp chính quyền và nhân dân đang sinh sống và làm việc tại những khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm, đặc biệt bị nhiễm arsenic và ammonia, nhằm thu hút sự quan tâm đến vấn đề bảo vệ chính bản thân nói riêng và bảo vệ môi trường xung quanh nói chung, đồng thời định hướng nhiệm vụ bảo vệ môi trường, phát triển bền vững song song với nhiệm vụ phát triển kinh tế - xã hội của vùng. 9. Những đóng góp mới của luận văn:  Nhận diện và tóm tắt một cách tổng quát các khu vực có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm đồng thời arsenic và ammonia tại Việt Nam;  Lựa chọn được một số loài cây thích hợp để xử lý đồng thời arsenic và ammonia; trong đó, cây cỏ nến là sự lựa chọn tốt nhất;  Đã thiết kế được hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây cỏ nến và từng bước tối ưu hóa quá trình thiết kế hệ xử lý;  Đưa ra một số vấn đề quan tâm cho các nghiên cứu về hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây tiếp theo; 10. Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm có 3 chương và các phần được sắp xếp theo thứ tự sau: Mở đầu Chương 1 - Tổng quan Chương 2 - Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3 - Kết quả và thảo luận Kết luận Định hướng nghiên cứu tiếp theo Tài liệu tham khảo liên quan Phụ lục 8 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Tình hình ô nhiễm arsenic và ammonia trong nguồn nƣớc ngầm: Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn nước phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, ô nhiễm arsenic và ammonia trong nguồn nước ngầm tại Việt Nam rất đáng báo động [WEPA, 2007]. Ô nhiễm arsenic: Các cuộc khảo sát nguồn nước mặt và nước ngầm từ Bắc chí Nam, đặc biệt ở hai vùng Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Mekong đã được thực hiện thường xuyên và đã cảnh báo là tình trạng ô nhiễm arsenic trong nguồn nước là một nguy cơ có thật. Nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 3050 µg/L, nồng độ trung bình là 430 µg/L (với trên 48% vượt mức 50 µg/L và 20% vượt mức 150 µg/L) tại vùng đồng bằng Sông Hồng [Tran Hong Con, 2006]. Tại vùng Đồng bằng Sông Mekong, mức độ ô nhiễm arsenic trong nguồn nước ngầm cũng rất cao, nồng độ arsenic dao động từ 1 µg/L đến 845 µg/L [M. Berg et al., 2006]. Độc tính của arsenic: Hai hợp chất arsenite (As(III)) và arsenate (As(V)) chiếm đa số trong số các hợp chất arsenic có trong nước ngầm. Về mặt sinh học, arsenic là một chất độc có thể gây 19 bệnh khác nhau. Trong đó, ung thư da và phổi. mặt khác, arsenic có vai trò trong trao đổi nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin. Arsenic ảnh hưởng đến thực vật như mọt chất cản trở trao đổi chất, làm giảm năng suất. Độc tính của các hợp chất As đối với sinh vật dưới nước tăng dần theo dãy: Arsen → Arsenit → Arsenat → Hợp chất As hữu cơ. Các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc arsenic là chứng sạm da (melanosis), làm dày biểu bì (keratosis) từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da. Hiện chưa có phương páp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc As. Nguồn ô nhiễm arsenic: [...]... cả các quá trình trên đều đóng góp vào việc chuyển hóa và tách bỏ ammonia ra khỏi môi trường nước Phương pháp này đã được sử dụng khá phổ biến trong xử lý nước thải với công nghệ có tên gọi “hệ lọc thảm sậy” (reed bed system) 13 Thực vật có khả năng tích lũy arsenic và hấp thu tốt ammonia được lựa chọn là cây cỏ nến (cattails Typha spp.) là loại thực vật khá phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới Đồng... 2.1 - Nồng độ arsenite, arsenate và ammonia ban đầu trong dòng vào Ammonia Arsenite (As(III)) Arsenate (As(V)) 30 mg/L 300 µg/L 300 µg/L 16 Cỏ nến (Typha spp.) Dòng vào Van điều chỉnh tốc dộ Bề mặt tiếp xúc không khí (3-4 cm) Tầng nƣớc (3-5 cm) Dòng ra Lớp đất cát (35-40 cm) Lớp đá sỏi nhỏ (6-8 cm) Hình 2.2 - Mặt cắt ngang hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây Cỏ nến (Typha spp.) 2.4 Lấy mẫu: Thể tích lấy mẫu... rất khó loại bỏ bằng các phương pháp xử lý thông thường khác 21 3.3 Hiệu quả xử lý ammonia Trong hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây, ammonia có thể bị loại bỏ bằng các cách sau: hấp thu ammonia bởi thực vật (chủ yếu), ammonia bay hơi vào không khí và chuyển hóa ammonia thông qua các hoạt động của hệ vi sinh vật  Nồng độ ammonia trong dòng vào là: 30 mg/L  Thể tích dòng ra/ngày: xem bảng 2.2 Qua quá trình... Ammonium-Nitrogen: MỨC ĐỘ CHỊU TẢI (mg AMMONIA/ NGÀY) 400 mg ammonia/ ngày 350 300 250 200 150 100 50 0 10 L/d 14 L/d 18 L/d 20 L/d 22 L/d 24 L/d 26 L/d 28 L/d Thể tích dòng ra (L)/ngày Pot A (mg/d) Pot B (mg/d) Pot C (mg/d) Hình 3.5 - Mức độ chịu tải của các hệ xử lý đối với ammonia (mg ammonia/ ngày) sau các giai đoạn xử lý khác nhau Nhận xét:  Mức độ chịu tải ammonia (mg ammonia/ ngày) của các hệ xử lý có... năng cung cấp oxy, khi nước chứa ammonia chảy qua sẽ xảy ra một loạt các quá trình liên quan đến xử lý ammonia: - Thực vật hấp thu ammonia để cấu tạo tế bào Ammonia là dạng phân đạm được thực vật ưa chuộng nhất so với các dạng hợp chất nitơ khác - Trong tầng lọc có mặt oxy hòa tan sẽ thúc đẩy các loại vi sinh tự dưỡng hiếu khí phát triển Chúng làm nhiệm vụ oxy hóa ammonia thành nitrite và nitrate Có... vào và dòng ra sau các giai đoạn xử lý Nhận xét:  Nồng độ arsenic trong dòng vào là 300 µg/L Nồng độ arsenic trong dòng ra của các hệ xử lý sau các giai đoạn xử lý khác nhau luôn luôn nhỏ hơn 10 µg/L Kết quả này chứng tỏ rằng, khả năng xử lý loại bỏ arsenic trong nguồn nước nhiễm arsenic của cây cỏ nến có tiềm năng rất cao  Như vậy, nồng độ arsenic trong dòng ra của các hệ xử lý sau các giai đoạn xử... Dãy nồng độ (µg/L) 39 1 – 845 Nồng độ arsenic trung bình (µg/L) 1.2 Ô nhiễm ammonia trong nguồn nƣớc ngầm: Ô nhiễm ammonia: Xác suất bắt gặp nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia có nồng độ cao từ 10 mg/L đến 30 mg/L khoảng 80% đến 90% tại một số điểm thuộc vùng Đồng bằng Sông Hồng [Le Van Cat, Tran Mai Phuong, 2005] Tại Đồng bằng Sông Cửu Long, nguồn nước ngầm bị nhiễm ammonia cũng rất đáng báo động, giao... thu Hình 1.3 – Các phƣơng thức loại bỏ arsenic trong hệ hệ xử lý lọc kết hợp trồng cây 14 CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chọn lọc cây trồng: Nguyên tắc lựa chọn: Cây trông phải có khả năng:  Hấp thu đồng thời arsenic và ammonia tốt;  Tính sẵn có và dễ trồng tại Việt Nam;  Sinh khối phát triển nhanh; Trong nghiên cứu này, cây cỏ nến (Typha spp.) đã được chọn làm thí nghiệm đánh... tích mẫu theo các phương pháp phân tích tiêu chuẩn của APHS, 1970, bao gồm: 1 Đo pH 2 Đo độ kiềm 3 Phân tích ammonia- nitrogen 4 Phân tích nitrite-nitrogen 5 Phân tích nitrate-nitrogen 6 Phân tích arsenic 18 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khả năng tăng trƣởng sinh khối của cây cỏ nến (Typha spp.) Sau 10 ngày trồng cây Sau 30 ngày trồng cây Sau 60 ngày trồng cây Hình 3.1 - Tăng trƣởng sinh khối của... xử lý đồng thời arsenite và ammonia 2 Hệ B: xử lý đồng thời arsenate và ammonia 3 Hệ A: xử lý đồng thời 50% arsenite + 50% arsenate và ammonia Chuẩn bị dung dịch nước ô nhiễm:  Dung dịch nước nhiễm arsenite có nồng độ 300 µg/L: hóa chất As 2O3 pha trong nước máy  Dung dịch nước nhiễm arsenate có nồng độ 300 µg/L: hóa chất Na 3AsO4 pha trong nước máy  Dung dịch nước nhiễm ammonia có nồng độ 30 mg/L: . NGUYỄN TIẾN CỬ SIMULTANEOUS REMOVAL OF ARSENIC AND AMMONIA FROM GROUNDWATER BY PHYTOFILTRATION WITH CATTAILS (TYPHA SPP. ) CULTIVATION LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG. SIMULTANEOUS REMOVAL OF ARSENIC AND AMMONIA FROM GROUNDWATER BY PHYTOFILTRATION WITH CATTAILS (TYPHA SPP. ) CULTIVATION MASTER THESIS FIELD: WASTE MANAGEMENT AND CONTAMINATED SITE. tích arsenic 37 CHƢƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1. Quá trình phát triển sinh khối của cây cỏ nến Cattails (Typha spp. ) 40 3.2. Hiệu quả xử lý arsenic 42 3.3. Hiệu quả xử lý ammonia