Nghiên cứu xây dựng hệ thống xử lý asen cho nước sinh hoạt công suất 5m3ngày sử dụng vật liệu bùn đỏ biến tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Quốc Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ ASEN CHO NƯỚC SINH HOẠT CÔNG SUẤT 5M3/NGÀY SỬ DỤNG VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Quốc Hưng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ ASEN CHO NƯỚC SINH HOẠT CÔNG SUẤT 5M3/NGÀY SỬ DỤNG VẬT LIỆU BÙN ĐỎ BIẾN TÍNH Chun ngành: Khoa học mơi trường Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Phạm Thị Thúy PGS TS Nguyễn Mạnh Khải Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Để hồn thiện nội dung luận văn thạc sĩ khoa học, nỗ lực không ngừng thân, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới q thầy mơn Cơng nghệ nói riêng tồn thể thầy Khoa Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung ln quan tâm tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức bổ ích vơ quý báu cho suốt thời gian theo học trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc tới TS Phạm Thị Thúy PGS TS Nguyễn Mạnh Khải, người trực tiếp hướng dẫn, luôn sát sao, động viên, nhắc nhở kịp thời tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực nghiên cứu phục vụ cho luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn ThS Phạm Hoàng Giang cán thuộc Phòng Thí nghiệm Bộ Mơn Cơng nghệ, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN hỗ trợ giúp đỡ nhiệt tình q trình phân tích vận hành thiết bị thực nghiệm để tơi thuận lợi hồn thành luận văn cá nhân Cuối cùng, tơi xin dành lời cảm ơn chân thành tới tồn thể gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người quan tâm, giúp đỡ, động viên đồng thời chỗ dựa tinh thần vững giúp tơi hồn thành tốt nhiệm vụ giao suốt thời gian học tập trình nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ khoa học vừa qua TÁC GIẢ Nguyễn Quốc Hưng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan asen 1.1.1 Giới thiệu asen 1.1.2 Các dạng tồn chuyển hóa asen tự nhiên 1.1.3 Ảnh hưởng asen đến sức khỏe 1.2 Ô nhiễm asen Việt Nam giới .13 1.3 Các phương pháp xử lý asen nguồn nước cấp 18 1.3.1 Phương pháp oxi hóa 19 1.3.2 Phương pháp đông tụ/ đồng kết tủa kết hợp lắng 20 1.3.3 Phương pháp trao đổi ion .21 1.3.4 Công nghệ màng .22 1.3.5 Phương pháp sinh học 22 1.3.6 Xử lý asen phương pháp hấp phụ 22 1.4 Phương pháp hấp phụ 27 1.4.1 Nguyên lý chung phương pháp hấp phụ 27 1.4.2 Các mô hình trình hấp phụ 30 1.4.3 Động học hấp phụ thí nghiệm dòng chảy liên tục 30 1.5 Chất lượng nước trạng cấp nước làng Cự Đà, Hà Nội 36 1.6 Tổng quan bùn đỏ từ trình sản xuất nhôm .39 1.6.1 Công nghệ thải bùn đỏ đặc tính bùn đỏ 39 1.6.2 Thành phần tính chất bùn đỏ .40 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .41 2.1 Đối tượng nghiên cứu 41 2.2 Nội dung nghiên cứu 41 2.2 Phương pháp nghiên cứu .41 2.2.1 Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp .41 2.2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ As 41 2.2.3 Khảo sát pH tối ưu cho trình hấp phụ As vật liệu thí nghiệm mẻ 44 2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng kích thước vật liệu đến hiệu hấp phụ asen điều kiện hấp phụ động thí nghiệm cột hấp phụ dòng chảy liên tục 44 2.2.5 Chế tạo lắp đặt mơ hình pilot .46 2.2.6 Quy trình kế hoạch vận hành .52 2.2.7 Các phương pháp phân tích 52 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 54 3.1 Đặc điểm vật liệu 54 3.1.1 Đặc điểm bề mặt vật liệu 54 3.1.2 Cấu trúc pha vật liệu 55 3.2 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ asen vật liệu 57 3.2.1 Ảnh hưởng kích thước vật liệu đến khả hấp phụ As điều kiện dòng chảy liên tục .58 3.3 Đánh giá khả xử lý As hai loại vật liệu hấp phụ với hệ lọc quy mô thực tế 5m3/ngày.đêm 66 3.3.1 Hệ lọc quy mô 5m3/ng.đ với vật liệu hấp phụ chế tạo từ quặng sắt oxit 66 3.3.2 Hệ lọc quy mô 5m3/ng.đ với vật liệu hấp phụ chế tạo từ sắt (III) hydroxit 70 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC .85 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Hàm lượng asen số khoáng vật Bảng 1.2: Một số nghiên cứu vật liệu hấp phụ xử lý asen 24 Bảng 1.3: Các yếu tố ảnh hưởng tới chiều dài vùng chuyển khối phương pháp hạn chế 32 Bảng 2.1: Bảng tỷ lệ phối trộn vật liệu (theo %) 42 Bảng 2.2: Bảng thống số kĩ thuật thiết bị hệ thống xử lý 51 Bảng 3.1: Các thơng số mơ hình Thomas Yoone – Nelson 64 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Con đường xâm nhập As vào thể người Hình 1.2: Nhiễm độc asen mãn tính 12 Hình 1.3: Khảo sát trạng người sử dụng số nguồn nước phơi nhiễm asen số quốc gia giới năm 2007 (x103 người) 13 Hình 1.4: Bản đồ dự báo vùng giới có nồng độ asen tổng nước ngầm cao Tiêu chuẩn Y tế Thế giới 14 Hình 1.5: Vị trí khu vực có nguy nhiễm asen nước ngầm số tỉnh thuộc Trung Quốc 15 Hình 1.6: Sự phân bố asen nước ngầm theo nồng độ khu vực Đồng Bằng Sông Hồng 18 Hình 1.7: Mơ hình cột hấp phụ đơn giản 31 Hình 1.8: Đường cong cột hấp phụ 32 Hình 1.9: Đồ thị phụ thuộc ln(Co/Ct – 1) vào thời gian theo mơ hình Thomas 34 Hình 1.10: Đồ thị phụ thuộc ln(Ce/(Co – Ce)) vào thời gian theo mơ hình Yoon-Nelson 36 Hình 1.11: Bản đồ địa xã Cự Đà 37 Hình 1.12: Vị trí trường mầm non Cự Khê 38 Hình 2.1: Sơ đồ chế tạo vật liệu 43 Hình 2.2: Mơ hình thí nghiệm cột hấp phụ 45 Hình 2.3: Sơ đồ cơng nghệ tóm tắt hệ pilot xử lý asen 47 Hình 2.4: Hệ pilot xử lý As nước ngầm công suất 5m3/ngày 50 Hình 3.1: Ảnh chụp SEM độ phóng đại 30.000 lần mẫu vật liệu hấp phụ sau biến tính 54 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu O550 55 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ tia X mẫu H550 56 Hình 3.4: Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ As vật liệu biến tính 57 Hình 3.5: Nồng độ As dung dịch sau cột hấp phụ chứa vật liệu O550 kích thước khác 59 Hình 3.6: Nồng độ As dung dịch sau cột hấp phụ chứa vật liệu H550 kích thước khác 60 Hình 3.7: Đồ thị phụ thuộc ln(Co/Ce – 1) vào t nồng độ As (V) sau hấp phụ vật liệu với kích cỡ khác theo Thomas 62 Hình 3.8: Đồ thị phụ thuộc ln(Ce/(Co-Ce)) vào t As (V) hấp phụ vật liệu theo mơ hình Yoon – Nelson 63 Hình 3.9: Giá trị pH nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550L 66 Hình 3.10: Nồng độ Fe nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550-L 67 Hình 3.11: Nồng độ As nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ O550-L 68 Hình 3.12: Giá trị pH nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 70 Hình 3.13: Nồng độ Fe nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 71 Hình 3.14: Nồng độ As nước sau công đoạn xử lý hệ sử dụng vật liệu hấp phụ H550-M 73 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa ATP Adenosine triphosphat BYT Bộ Y tế DMA Axit dimetyl asonic CETASD Trung tâm Nghiên cứu công nghệ Môi trường Phát triển Bền vững H550 Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit H550 – L Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước – 9,5 mm H550 – M Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước 3,75 – 4,75 mm H550 – S Vật liệu hấp phụ giàu sắt nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit kích thước – mm ICP-MS Phương pháp Quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ MMA Axit monometyl asonic KCN Khu công nghiệp KLN Kim loại nặng O550 Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit O550 – L Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước – 9,5 mm O550 – M Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước 3,75 – 4,75 mm O550 – S Vật liệu hấp phụ nguồn gốc từ quặng sắt oxit kích thước – mm PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) TCVN Tiêu Chuẩn Quốc gia (Việt Nam) TMA Axit trimetyl asonic UNICEF Quỹ Nhi đồng Liên Hợp Quốc WHO Tổ chức Y tế Thế Giới X – Ray Phổ nhiễu xạ tia X 51 Phuong Kim Nguyen (2008), Geochemical Study of Arsenic Behavior in Aquifer of the Mekong Delta, Vietnam, Degree of Doctor of Engineering, Kyushu University 52 Nguyen Thi Hue et al (2015), Study on removal of both arsenic an phosphate from water by MnO2 - doped Laterite in northern Viet Nam, The Proceedings of the 7th VAST - AIST WORKSHOP 53 Nguyen Van Lap & Ta Thi Kim Oanh (2006), Arsenic contamination on groundwater in Dong Thap province and adjacent areas, Mekong river delta, south Vietnam, Proceeding National Workshop, Hanoi 54 Petr Drahota & Michal Filippi (2009), "Secondary arsenic minerals in the environment: A review", Environment International 35, tr 1243 - 1255 55 Pham Thị Kim Trang, Vi Thi Mai Lan & Reiji Kubota (2006), Arseniv pollution in groundwater in Red River Delta, Vietnam: situation and human exposure, Proceeding National Workshop, Hanoi 56 Rachana Singh (2015), "Arsenic contamination, consequences and remedition techiques: A review", Ecotoxicology and Environmental Safety 112, tr 247 270 57 Rahman et al (2008), "Laterite-A Potential Alternative for Removal of Groundwater Arsenic", Journal of Applied Science Environmental Management 12(1), tr 93-100 58 M Azizur Rahman & Christel Hassler (2014), "Is arsenic biotransformation a detoxification mechanism for microorganisms?", Aquatic Toxicology 146, tr 212-219 59 Shahedur Rahman, Ki-Hyun Kim, Subbroto Kumar Saha, A M Swaraz & Dipak Kumar Paul (2014), "Review of remediation techniques for arsenic (As) 83 contamination: A novel approach utilizing bio-organisms", Journal of Environmental Management 134, tr 175-185 60 Samuel Luzi, Micheal Berg, Pham Thị Kim Trang, Pham Hung Viet & Roland Schertenlelb (2004), Household Sand Filters for Arsenic Removal, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Ueberlandstr 133, CH-8600 Duebendorf, Switzerland 61 Snow Elizabeth T., Peter Sykora, Troy R Durham & Catherine B Klein (2005), "Arsenic, mode of action at biologically plausible low doses: What are the implications for low dose cancer risk?", Toxicology and Applied Pharmacology 207(2), tr 557-564 62 Thomas S.Y Choong, T.G Chuah & Y Robiah (2007), "Arsenic toxicity, health hazards and removal techniques from water: an overview", Desalination 217, tr 139-166 63 Xinyan Zhang, Fan Yang, Joong-Youn Shim, Kenneth L Kirk, D Eric Anderson & Xiaoxin Chen (2007), "Identification of arsenic-binding proteins in human breast cancer cells", Cancer Letters 255(1), tr 95-106 Website 64 Hương Cát (2007), Phương pháp loại bỏ asen nước, truy cập ngày 10-122015, trang web http://vnn.vietnamnet.vn/khoahoc/2007/10/751 84 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Điều kiện nước ngầm nghiễm asen số quốc gia giới 86 Phụ lục 2: Kết asen nguồn nước ngầm huyện thuộc Hà Nội 87 Phụ lục 3: Tổng hợp kết asen nguồn nước ngầm 88 Phụ lục 4: Giá trị pH dung dịch sau hấp phụ thời điểm lấy mẫu thí nghiệm cột hấp phụ dòng chảy liên tục 89 Phụ lục 5: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu O550 90 Phụ lục 6: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu H550 90 Phụ lục 7: Nồng độ Fe (mg/L) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ O550 91 Phụ lục 8: Nồng độ Fe (mg/L) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ H550 92 Phụ lục 9: Nồng độ As (ppb) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ O550 92 Phụ lục 10: Nồng độ As (ppb) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ H550 93 Phụ lục 11: Hình ảnh vật liệu hấp phụ H550 O550 93 Phụ lục 12: Hệ thí nghiệm cột hấp phụ dòng chảy liên tục 94 Phụ lục 13: Hình ảnh thực tế hệ pilot Trường mầm non xã Cự Khê 95 Phụ lục 14: Các vật liệu sử dụng cột lọc 97 85 Phụ lục 1: Điều kiện nước ngầm nghiễm asen số quốc gia giới Quốc gia Điều kiện % Diện tích (*) Bangladesh Khử 35.4 Cambodia Khử 45.8 Vietnam Khử 15.8 Taiwan Khử 8.2 Nepal Khử 3.2 Romania Khử 3.5 USA Khử Oxi hóa 8.3 Argentina Oxi hóa 4.9 India Khử Oxi hóa 6.4 China Khử Oxi hóa 2.5 Khử 7.4 Hungary Finland Greece Chưa có thơng tin Chưa có thơng tin 34.7 0.1 ((*): dự đốn diện tích khu vực bị nhiễm asen dựa báo cáo nhiễm asen nước ngầm [47]) (Manouchehr Amini cộng sự, 2008) 86 Phụ lục 2: Kết asen nguồn nước ngầm huyện thuộc Hà Nội Mức độ nhiễm As STT Tên huyện Tổng mẫu Vượt giới hạn cho phép Giới hạn số (QCVN 02:2009/BYT) cho phép (≤ Trung bình Nguy hiểm (> 50 ppb) (51 – 100 ppb) 100 ppb) Tỷ lệ nhiễm vượt mức cho phép Chương Mỹ 1395 1342 48 3.80% Ứng Hoà 2968 1589 612 767 46.46% Thanh Oai 2864 1400 1002 462 51.12% Đan Phợng 1247 734 269 244 41.14% Hoài Đức 2001 1249 708 44 37.58% Phúc Thọ 1329 961 244 124 27.69% Ba Vì 455 439 14 3.52% Mỹ Đức 891 731 94 66 17.96% Phú Xuyên 1479 845 198 436 42.87% 10 Thường Tín 2926 1566 522 838 46.48% 11 Thạch Thất 1363 1227 99 37 9.98% 12 Quốc Oai 255 224 20 11 12.16% 13 Sơn Tây 478 478 0 0.00% Tổng số mẫu 19651 12785 3830 3036 % so với tổng số 65.06% 19.49% 15.45% 34.94% (Nguồn: Trung tâm quốc gia nước vệ sinh an toàn nông thôn, 2016) 87 Phụ lục 3: Tổng hợp kết asen nguồn nước ngầm Đơn vị: Huyện Thanh Oai STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Tên xã Cự Khê Thanh Văn Tân Ước Thanh Thuỳ Kim An Xuân Dương Đỗ Động Biên Giang Cao Dương Bình Minh Mỹ Hưng Tam Hưng Thanh Cao Cao Viên Bích Hồ Liên Châu Hồng Dương Phương Trung TT Kim Bài Kim Thư Đồng Mai Dân Hoà Thanh Mai Tổng số mẫu % so với tổng số Tổng số mẫu 98 99 100 91 82 101 99 90 110 133 171 153 148 138 151 97 115 161 116 164 152 159 136 286 Mức độ nhiễm asen Vượt giới hạn cho phép (QCVN 02:2009/BYT) Giới hạn cho Trung phép (≤ 50 ppb) Nguy bình (51 hiểm (> – 100 100 ppb) ppb) 11 37 50 54 20 25 45 27 28 24 29 38 61 14 33 59 44 42 13 63 18 11 23 76 100 32 54 106 10 122 31 140 103 32 35 59 57 80 17 42 63 10 54 75 32 74 38 41 113 10 54 83 15 43 102 14 136 0 1400 48.88% 1002 34.99% 462 16.13% Tỷ lệ nhiễm vượt mức cho phép 88.78% 45.45% 55.00% 73.63% 25.61% 91.09% 55.56% 30.00% 90.00% 25.56% 67.84% 20.26% 5.41% 25.36% 76.82% 17.53% 63.48% 66.46% 36.21% 75.00% 64.47% 72.96% 0.00% 51.12% (Nguồn: Trung tâm quốc gia nước vệ sinh an tồn nơng thơn, 2016) 88 Phụ lục 4: Giá trị pH dung dịch sau hấp phụ thời điểm lấy mẫu thí nghiệm cột hấp phụ dòng chảy liên tục Mẫu O550-L H550-L O550-M H550-M O550-S H550-S 30 7,6 7,9 7,75 7,8 60 7,88 7,79 7,93 8,04 7,96 8,15 270 8,01 7,79 8,01 8,02 8,3 420 7,85 7,96 7,77 7,94 8,15 8,35 540 7,82 7,96 7,97 8,23 8,07 660 7,91 8,15 7,9 7,8 8,01 960 8,15 7,8 7,99 7,89 8,23 8,11 1200 8,01 7,93 7,95 8,02 8,03 8,10 Phút (Chú giải kí hiệu: O550-L – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 8,0-9,5 mm; O550-M – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 3,75-4,75 mm; O550-S – vật liệu hấp phụ từ quặng sắt oxit kích thước 1,0-2,0 mm; H550-L – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 8,0-9,5 mm; H550-M – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 3,75-4,75 mm; H550-S – vật liệu hấp phụ từ sắt hydroxit kích thước 1,0-2,0 mm) 89 Phụ lục 5: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu O550 Mẫu STT 10 11 12 13 V0 V1 V2 V3 V4 V5 6,51 6,7 6,67 6,65 6,7 6,65 6,65 6,87 6,7 6,85 6,55 6,63 6,66 6,89 7,1 7,16 7,2 7,34 7,1 7,68 7,09 7,1 7,36 7,53 7,33 7,23 7,11 7,1 6,96 7,14 7,34 7,43 7,35 7,23 7,35 7,14 7,35 7,34 7,41 7,15 7,16 6,96 7,14 7,16 7,21 7,34 7,41 7,2 7,35 7,44 7,35 7,41 7,21 7,25 7,14 7,2 7,25 7,32 7,15 7,4 7,34 7,32 7,4 7,4 7,19 7,53 7,3 7,36 7,33 7,57 7,48 7,47 7,33 7,35 7,38 7,36 7,29 Phụ lục 6: pH mẫu lấy từ hệ pilot sử dụng vật liệu H550 Mẫu V0 V1 V2 V3 V4 V5 6,65 7,68 7,35 7,35 7,36 7,41 6,87 7,09 7,23 7,2 7,3 7,25 6,7 7,1 7,35 7,33 7,4 7,41 6,65 7,36 7,14 7,25 7,3 7,42 6,65 7,53 7,35 7,27 7,31 7,28 6,63 7,33 7,34 7,3 7,44 7,38 6,66 7,23 7,41 7,35 7,35 7,4 STT 90 Phụ lục 7: Nồng độ Fe (mg/L) nước ngầm sau giai đoạn xử lý hệ với vật liệu hấp phụ O550 Mẫu V0 V1 V2 V3 V4 V5 10,21 9,57 6,21 0,26