Nghiên cứu đánh giá sự phân bố asen trong nước ngầm khu vực hà nội bằng mô hình số thăm dò đề xuất các phương pháp hữu hiệu xử lý asen

giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu đánh giá phân bố asen nước ngầm khu vực hà nội mô hình số, thăm dò đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý asen ngành : kỹ thuật môi trường kiều thị vân anh Người hướng dẫn khoa học : TS Đặng Xuân Hiển hà nội 2006 mục lục Trang mở đầu Tính cấp thiết đề tài Đối tượng giới hạn phạm vi nghiên cứu Mục đích đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài Các phương pháp nghiên cứu ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục luận văn Chương Khái quát chung vùng nghiên cứu 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế xà hội 1.1.1 Vị trí địa lý 1.1.2 Địa hình 1.1.3 Khí hậu 1.1.4 Thuỷ văn 1.1.5 Dân sinh - kinh tế 1.1.6 Giao thông 1.2 Đặc điểm địa chất 1.2.1 Hệ Neogen 1.2.2 Hệ Đệ tứ 1.3 Điều kiện Địa chất Thuỷ văn 1.3.1 Tầng chứa nước trầm tích Holocen (qh) 1.3.2 Tầng chứa nước Pleistocen - (qp1-2) 1.3.3 Phức hệ chứa nước trước Đệ tứ 1.3.4 Các thành tạo nghèo nước 1.4 Hiện trạng khai thác nước ngầm 1.5 Hiện trạng chất lượng nước ngầm khu vực Hà Nội Chương trạng phân bố asen nước ngầm khu vực hà nội 2.1 Tổng quan Asen tình hình nghiên cứu Asen 2.1.1 Đặc điểm địa hoá Asen di chun cđa chóng n­íc ngÇm 2.1.2 Mèi quan hƯ Asen với yếu tố liên quan tới hình thành 3 6 6 6 7 8 11 11 12 14 15 16 22 28 28 28 30 nước ngầm 2.1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu Asen nước giới 2.2 Hiện trạng phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội 2.2.1 Phương pháp luận nghiên cứu xác định quy luật phân bố Asen nước ngầm 2.2.2 Hiện trạng hàm lượng Asen nước ngầm khu vực Hà Nội 2.3 Một số nhận định bước đầu ngn gèc nhiƠm bÈn Asen khu vùc Hµ Néi 39 45 45 47 54 Chương mô hình lan truyền vật chất nghiên cứu chất lượng nước ngầm khu vực phía nam Hà nội 3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình 3.1.1 Mô hình toán học 3.1.2 Phương pháp giải 3.1.3 Phương trình sai phân 3.1.4 Điều kiện biên mô hình 3.1.5 Lỗ khoan hút nước ép nước (Well) 3.1.6 Chỉnh lý thông số đầu vào mô hình giải toán ngược 3.1.7 Các số liệu đầu vào đầu mô hình 3.2 Mô hình lan truyền Asen nước ngầm khu vực phía Nam Hà Nội 3.2.1 Mô mô hình 3.2.2 Phân lớp thông số trường thấm 3.2.3 Thông số trường thấm 3.2.4 Biên điều kiện biên 3.2.5 Chạy mô hình dự báo dịch chuyển chất nhiễm bẩn 59 Chương thăm dò, đề xuất giải pháp hữu hiệu xử lý asen 4.1 Những ảnh hưởng việc dùng nước có chứa Asen đến sức khoẻ người 4.1.1 Các biểu tổn thương bị ô nhiễm Asen 4.1.2 Các ảnh hưởng ung thư 4.1.3 Các ảnh hưởng gây ung thư 4.2 Các đường Asen gây ảnh hưởng tới sức khoẻ ng­êi 4.2.1 Asen m«i tr­êng n­íc 4.2.2 Asen thực phẩm 4.3 Thăm dò, đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý Asen 4.3.1 Tạo kết tủa 82 59 59 60 62 64 64 65 66 67 67 68 69 70 73 82 82 82 83 84 84 86 87 87 4.3.2 Keo tơ – l¾ng – läc 4.3.3 Làm mềm vôi 4.3.4 Hấp phụ 4.3.5 Phương pháp oxy hoá 4.3.6 Các phương pháp khác 87 89 91 92 95 kết luận 98 Tài liệu tham khảo 100 mở đầu Tính cấp thiết đề tài Hà Nội có nguồn nước ngầm phong phú, chất lượng nước tốt nguồn nước quan trọng cấp cho ăn uống sinh hoạt hoạt động kinh tế xà hội thủ đô Hiện tại, 100% nước cấp cho thủ đô Hà Nội nước ngầm, riêng Công ty Kinh doanh nước Hà Nội quản lý khai thác khoảng 572.240 m /ngày P P Những năm gần dân số đô thị tăng nhanh, đô thị hoá hoạt động kinh tế thủ đô phát triển mạnh làm cho nhu cầu nước thủ đô ngày lớn, khai thác nước ngầm ngày mở rộng quy mô phạm vi Thêm vào đó, hoạt động phát triển sản xuất, thải chất thải nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu đô thị sản xuất nông R R nghiệp vïng cïng víi sù ph¸t triĨn tù ph¸t cđa khai thác nước ngầm hệ thống giếng khoan tay đà làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước ngầm khu vực Hà Nội Một số kết điều tra nghiên cứu trạng khai thác, sử dụng trạng chất lượng nước vùng cho thấy nước ngầm khu vực Hà Nội đà có tượng nhiễm bẩn cục hợp chất Amoni, thành phần vi sinh số yếu tố kim loại nặng thành phần Asen, thuỷ ngân Đặc biệt vài năm gần đây, điều tra chất lượng nước R R số quan chuyên môn cho thấy nước ngầm khu vực Hà Nội đà có tượng nhiễm bẩn Asen, với hàm lượng Asen vượt tiêu chuẩn cho phép nước cấp cho ¨n ng sinh ho¹t ViƯc nhiƠm bÈn Asen n­íc ngầm xuất tầng tầng dưới, đặc biệt phổ biến khu vực phía Nam Hà Nội Để bảo vệ nước ngầm, đặc biệt công trình khai thác nước ngầm suốt thời gian khai thác chất lượng nước nằm giới hạn cho phép, nhiệm vụ quan phải tính toán dự báo lan truyền vật chất đặc biệt chất bẩn để có biện pháp ngăn ngừa, thiết kế công trình khai thác nước cách hợp lý Cho tới nước ta việc tính toán dự báo biến đổi chất lượng nước nghiên cứu, chủ yếu dùng công thức toán học đơn giản để tính toán thời gian xâm nhập mặn tới công trình khai thác nước Thực tế điều kiện địa chất thuỷ văn nước ta phức tạp, việc sử dụng công thức toán học đơn giản không hoàn toàn thích hợp mà đòi hỏi phương pháp tính toán xác phương pháp mô ứng dụng hình số Xuất phát từ nhu cầu thực tế đề tài : "Nghiên cứu đánh giá phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội mô hình số, thăm dò đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý Asen" chọn nội dung nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Đối tượng giới hạn phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu : Chất lượng nước khu vực Hà Nội, đặc biệt ô nhiễm Asen nước ngầm * Phạm vi nghiên cứu : Việc nghiên cứu cách toàn diện quy luật phân bố Asen nước ngầm phạm vi thành phố Hà Nội vấn đề khó khăn phức tạp, đòi hỏi phải có số liệu quan trắc liên tục, trang thiết bị đại, có kinh phí phải có quỹ thời gian đủ lớn hoàn thành Vì vậy, khuôn khổ nghiên cứu luận văn tác giả tập trung nghiên cứu số nội dung sau : - Hiện trạng chất lượng nguồn nước ngầm khu vực Hà Nội sử dụng làm nước sinh hoạt, đặc biệt đánh giá phân bố Asen phạm vi quận, huyện thuộc khu vực Hà Nội - Hiện trạng phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội - ứng dụng mô hình lan truyền vật chất nước ngầm để xác định dự báo biến đổi hàm lượng Asen nước ngầm khu vực phía Nam thành phố Hà Nội - Thăm dò, đề xuất phương pháp xử lý Asen Mục đích đề tài - Sơ khoanh vùng phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội - Bước đầu dự b¸o sù lan trun chÊt nhiƠm bÈn d­íi t¸c dơng phân tán thuỷ lực - Đề xuất số phương pháp hữu hiệu xử lý Asen phù hợp với ®iỊu kiƯn ViƯt Nam Néi dung nghiªn cøu cđa đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài gồm : - Nghiên cứu đặc điểm Địa chất - Địa chất thuỷ văn thành phố Hà Nội - Nghiên cứu, tổng hợp xác định số quy luật phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội - Nghiên cøu mèi quan hƯ cđa Asen víi c¸c u tè liên quan đến hình thành nước ngầm - áp dụng mô hình lan truyền vật chất để nghiên cứu toán nhiễm bẩn - Nghiên cứu đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý Asen Các phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu đề tài, tác giả đà sử dụng tổng hợp phương pháp nghiên cứu sau : - Phương pháp thu thập tài liệu : Thu thập tài liệu địa hình, địa chất, địa chất thuỷ văn, trạng khai thác sử dụng nước ; vị trí, địa tầng, kết cấu giếng khoan ; tài liệu kết nghiên cứu chất lượng nước ngầm Hà Nội, ô nhiễm Asen khu vực Hà Nội ; tài liệu lý thuyết Asen, kết nghiên cứu, báo Asen đà công bố tác giả nước - Phương pháp kế thừa : Trong đề tài nghiên cứu, tác giả đà sử dụng số kết nghiên cứu Asen đất, nước nhiều tác giả nước đà công bố từ trước đến - Phương pháp xử lý số liệu : Trên sở, tảng số liệu thu thập, tài liệu thực địa Các tài liệu tiến hành xử lý chương trình chuyên dụng, phần mềm máy tính Mapinfor để lập đồ, xử lý số liệu phương pháp thống kê toán học, trung bình hoá số liệu phân tích đặc biệt sử dụng mô hình MODFLOW MT3D để tính toán dịch chuyển vật chÊt n­íc ngÇm ý nghÜa khoa häc thực tiễn đề tài - Sơ đánh giá chất lượng nước ngầm khu vực Hà Nội - Bước đầu đánh giá trạng, quy luật phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội, khu vực có hàm lượng Asen cao, thấp phục vụ cho công tác quản lý quy hoạch, khai thác, bảo vệ nguồn nước ngầm phục vụ đời sống lâu dài bền vững khu vực - Bước đầu dự báo quy luật biến đổi hàm lượng chất nhiễm bẩn tác dụng phân tán thủy lực - Thăm dò, đề xuất phương pháp xử lý Asen phù hợp với điều kiện Việt Nam Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn trình bày thành chương Chương Tổng quan vùng nghiên cứu Chương Hiện trạng phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội Chương Mô hình lan truyền vật chất nghiên cứu chất lượng nước ngầm khu vực phía Nam thành phố Hà Nội Chương Thăm dò, đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý Asen Kèm theo luận văn vẽ, bao gồm : - Bản đồ Địa chất Thuỷ văn thành phố Hà Nội - Sơ đồ vị trí lấy mẫu phân tích Asen khu vực Nam Hà Nội - Sơ đồ phân vùng ô nhiễm Asen nước ngầm trầm tích Đệ tứ khu vực Nam Hà Nội - Sơ đồ phân vùng « nhiƠm Asen n­íc ngÇm tÇng qh khu vùc Nam Hà Nội - Sơ đồ phân vùng ô nhiễm Asen nước ngầm tâng qp khu vực Nam R R Hà Nội - Sơ đồ phân vùng ô nhiƠm Asen n­íc ngÇm tÇng qp khu vùc Nam R R Hà Nội Luận văn hoàn thành hướng dẫn khoa học TS Đặng Xuân Hiển, Viện Khoa học Công nghệ Môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội Trong trình thu thập tài liệu viết luận văn, tác giả đà nhận giúp đỡ quý báu đồng nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Cục quản lý Tài nguyên nước - Bộ Tài nguyên Môi trường, Cục Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp phát triển Nông thôn ; Được giúp đỡ nhiệt tình tập thể cán giảng dạy Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt TS Đặng Xuân Hiển đà góp phần vào thành công luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn ! Chương khái quát chung vùng nghiên cứu 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế - xà hội 1.1.1 Vị trí địa lý Hà Nội trung tâm kinh tế, trị, xà hội, công nghiệp, văn hoá nước Toàn thành phố nằm đồng Châu thổ sông Hồng Hiện diện tích Hµ Néi lµ 932 km chiÕm 0,3% diƯn tÝch nước Về vị trí địa P P lý, Thủ đô Hà Nội tiếp giáp với tỉnh Thái Nguyên phía Bắc, tỉnh Bắc Ninh phía Đông Bắc, tỉnh Hưng Yên phía Đông Nam, tỉnh Vĩnh Phúc phía Tây Bắc tỉnh Hà Tây phía Nam Tây Nam 1.1.2 Địa hình Thành phố có địa hình thấp dần từ Bắc xuống Nam nghiêng dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam với độ nghiêng nhỏ, độ nghiêng trung bình khoảng 0,3 đến 0,5% 1.1.3 Khí hậu Hà Nội có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, chia làm mùa rõ rệt Mùa mưa từ tháng đến tháng 10,mùa khô từ tháng 11 đến tháng năm sau Lượng mưa trung bình năm đạt 1678mm, mưa nhiều vào tháng 7- vào tháng 1- Nhiệt độ trung bình nhiều năm thành phố khoảng từ 21- 24 o P P 1.1.4 Thuỷ văn Mạng lưới thuỷ văn Hà Nội phát triển Các sông lớn chảy qua thành phố sông Hồng, sông Đuống, sông Cà Lồ, sông Nhuệ Ngoài ra, khu vực nội thành có hệ thống sông tiêu thoát nước sông Lừ, sông Sét, sông 86 Ferricchorit chất làm kết tủa thường sử dụng để xử lý nước uống (Amirtharajah O'Melia 1990) Phương pháp làm kết tủa sử dụng muối nhôm sắt (III) sử dụng để loại bỏ chất vô phân huỷ làm ô nhiễm nước uống, Asen Cơ chế loại bỏ chất vô gồm chế : thấm hút hút giữ (Bênfield Morgan 1990) Trong suốt trình hút, chất ô nhiễm phân huỷ bám bề mặt phân tử kết tủa Việc hút giữ diễn mà chất rắn phân huỷ bị hút tới phân tử sau bám dính để chuyển sang trạng thái kết tụ lại Một vài yếu tố ảnh hưởng tới trình keo tụ liều lượng chất keo tụ, pH, độ đục, chất hữu tự nhiên (NOM), hoà tan Anion, Cation nhiệt độ (Amirtharajah O'Melia 1990) Một vài nghiên cứu thí điểm đánh giá đầy đủ ngắn hạn đà thực để nhận xét phương pháp loại bỏ Asen phương pháp kết tủa lắng - lọc sử dụng muối nhôm sắt (III) Phần lớn nghiên cứu tập trung vào việc loại bỏ As (V) As(III) As(V) loại bỏ điều kiện không phức tạp, As(III) dễ dàng chuyển thành As(V) cách sử dụng chất oxy hoá mạnh Clo (Heringelat, 1996 ; Sorg, 1993) Làm keo tụ phèn sắt phèn nhôm cho hiệu tính theo phân tử gam (Edwards, 1994) Tuy nhiên, tính theo sở khối lượng (ví dụ mg/l) việc làm keo tụ với muối sắt (III) giúp loại bỏ tốt so với muối nhôm (Sorg vµ Logsdon, 1978 ; Sorg 1993 ; Chen R.C, 1994 ; Scott, 1995) Những kết quan sát dễ dàng hydroxit sắt tan so với hydroxit nhôm phạm vi nồng độ pH lớn (Benefield Morgan 1990) McNeil Edward (1997) đà quan sát cặn qua phận lọc Vì thế, việc loại bỏ Asen đạt hiệu cao giữ nhiều cặn Nghiên cứu khác cho thấy việc loại bỏ As(V) không phụ thuộc vào pH có nồng ®é kho¶ng 5,5 - 8,5 nÕu nh­ sư dơng phương pháp keo tụ sắt 87 Tuy nhiên, sử dụng nhôm hiệu việc loại bỏ Asen giảm nồng độ pH cao (Sorg, 1993) [ ] Các nghiên cứu trước cho thấy việc loại bỏ Asen chịu ảnh hưởng trực tiếp liều lượng chất làm keo tụ (ví dụ : liều lượng chất keo tụ lớn khả loại bỏ Asen cao) (Sorg Logsdon, 1978 ; Sorg, 1993 ; Hering, 1996 ; Gulledge O'Conner, 1973) Đồng thời hiệu việc loại bỏ Asen không phụ thuộc vào nồng độ Asen ban đầu mức xử lý nước để uống (Hering, 1996 ; Chen R.C, 1994 ; Edwards, 1994) MỈc dï mối liên quan trực tiếp vào việc loại bỏ độ đục với việc loại bỏ Asen, việc làm giảm đục điều kiện tiên để loại bỏ Asen (Chen R.C, 1994) 4.3.3 Làm mềm vôi Vôi chủ yếu sử dụng để làm giảm độ cứng nước Độ cứng nước định chủ yếu lượng Canxi Magiê Vôi cung cấp ion hydroxit làm tăng nồng độ pH, dẫn đến việc tạo thành CaCO Mg(OH) kết tủa, qua loại bỏ Canxi Magiê Vôi mềm R R R R sử dụng để loại bỏ kim loại nặng, Nuclic phóng xạ, hữu đà phân huỷ vi rút (Benefield Morgan 1990) thông qua chế hút giữ canxi cacbonat magie hydroxit Một quy trình xử lý làm mềm vôi bao gồm trộn nhanh vôi, hút chất rắn, lắng cặn Ba trình thường kết hợp đơn vị gọi thiết bị làm mềm tiếp xúc chất rắn (Benefied Morgan, 1990) Bước lọc thường thực sau bước Vôi sống soda thường sử dụng để làm mềm việc lựa chọn chúng không phụ thuộc vào độ cứng nước Vôi sử dụng cho nguồn nước có độ cứng carbonat Soda thường sử dụng thay cho vôi vôi - soda để giảm việc tạo bùn (tăng chất rắn đà phân huỷ giảm lượng bùn) 88 Chỉ có vài nghiên cứu thực để đánh giá việc loại bỏ Asen vôi mềm Các nghiên cứu thí điểm dài hạn Sorg Logsdon (1978) cho thấy việc loại bỏ Asen vôi mềm phụ thuộc vào nồng độ pH Việc loại bỏ As(III) As(V) có hiệu thấp nồng độ pH 10 Tuy nhiên, mức 10,5 việc loại bỏ As(V) đạt 100% As(III) đạt tới 75% Một phần khảo sát nhà máy xử lý nước với quy mô đầy đủ McNeil Edwars (1995 cho thấy nhà máy làm mềm nước vôi đạt tới 90% loại bỏ Asen nồng độ pH đủ cao để kết tủa magiê hydroxit (gần mức 11) Khi có CaCO Mg(OH) kết tủa hiệu loại bỏ As(V) đạt R R R R từ - 10%, CaCO Mg(OH) kết tủa hiệu đạt từ 60 R R R R 95% (McNeil vµ Edwards, 1995) KÕt tủa As(V) với Mg(OH) chế loại bỏ Asen R R phương pháp dùng vôi mềm McNeil Edwards đà công bố kết nghiên cứu dài hạn nhằm vào việc đánh giá chế việc loại bỏ Asen phương pháp dùng vôi mềm (McNeil Edwars, 1997b) Khớp với phát trước đó, 90% Asen bị loại bỏ nồng độ pH lớn 11, điều kiện để Mg(OH) bị kết tủa (McNeil Edwars, 1997b) Đồng thời thí nghiệm R R cho thấy Octophophat có mặt carbonat gây ảnh hưởng cho trình loại bỏ Asen b»ng Mg(OH) R R NÕu nh­ cã mangan nguồn nước phần As(V) bị loại bỏ bị hút với Mn(OH) , mỈc dï kÕt tđa Mn (AsO ) không cho R R R R R R R R chế (McNeil Edwards, 1997b) Các phát khác từ nghiên cứu tỷ lệ Asen bị loại gần không đổi cho Asen có nồng độ từ - 75 àg/l Hơn việc thêm sắt vào trước trình làm mềm tăng lượng Asen bị loại bỏ Tuy nhiên, trình cạnh tranh lẫn Asen cacbonat để hút bám bề mặt ion hydroxit làm giảm hiệu 89 xuống mức thấp so với việc sử dụng phương pháp làm keo tụ - lắng lọc muối sắt (III) (McNeil Edwards, 1997b) 4.3.4 Hấp phụ Hấp phụ phương pháp dùng để xử lý Asen nước mà áp dụng rộng rÃi Về chất phương pháp trình di chuyển ion kim loại phân tử kim loại từ pha lỏng sang pha rắn, phần tử hấp phụ lên bề mặt hấp phụ mao quản vật liệu Hiệu trình phụ thuộc vào yếu tố sau : - pH, nhiệt độ nước cần xử lý - Dạng tồn Asen dung dịch (tỷ lệ As(III) As(V)) - Các tạp chất nước có khả hấp phụ cạnh tranh làm tắc bề mặt làm cho Asen tiếp xúc - Bản chất chất hấp phụ (diện tích bề mặt riêng, điện tích bề mặt, nhóm chức bề mặt) Khả hấp phụ Asen nhiều vật liệu đà nghiên cứu : khoáng vật tù nhiªn gåm Gypsum, Kaolinite, Gibbsite, Goethite, Zeolites, Illite, Montmorillonite, Limonit ; vật liệu đà biến tính : cát phủ oxit sắt, cát phủ oxit mangan ; hay vật liệu tổng hợp : than hoạt tính, dạng sắt hydoroxit (vô định hình, Goethite, Ferrihydrite, Hemattite), nhôm hoạt tính (nhôm oxit), zeolite tẩm nhôm, Titan oxit Trong bảng 4.1 kết so sánh khả hấp phụ Asen loại vật liệu khác Bảng 4.1 Bảng so sánh hiệu suất hấp phụ Asen loại vật liệu Chất hấp phụ Nồng đô (g/l) Hiệu suất (%) As(III) As(V) Kimberlite tailing 10 25 40 Kho¸ng chÊt hyacinth 10 45 70 Than cđi 10 19 37 Lâi c©y chuèi 10 12 18 90 Tro bay 10 20 28 B·trµ 10 25 42 NÊm 10 22 35 Mïn c­a 10 28 36 Vá trÊu 10 12 10 C¸t 10 15 22 11 Than ho¹t tÝnh 10 50 65 12 Bauxite 10 58 80 13 Hematite 10 40 60 14 Laterite 10 45 70 15 Cát phủ oxit sắt 10 72 90 16 Nhôm hoạt tính 10 90 96 17 Sắt hydroxit dạng hạt 92 99 Các kết nghiên cứu cho thấy, As(V) có khả bị hấp phụ tốt As(III) Trong số loại vật liệu thấy nhôm hoạt tính loại vật liệu chứa sắt mà đáng ý sắt hydroxit dạng hạt loại vật liệu có khả hấp phụ Asen tốt Ngoài than hoạt tính có khả hấp phụ Asen dạng trung bình nhiên loại vật liệu sẵn có, dễ mua thị trường cung cấp nhiều đà trở thành loại vật liệu có nhiều ứng dụng từ trước đến 4.3.5 Phương pháp oxy hoá Quá trình oxy hoá As(III) lên As(V) không loại Asen khỏi nước, bước quan trọng để tăng hiệu trình xử lý Các tác nhân dùng oxy hoá As(III) : chất oxy hoá (oxy, ozone, pemanganat, clo, hypoclorit, clo dioxit, hydro peroxit, muèi ferat ), xúc tác quang hoá, oxy hoá pha rắn, tác nhân fenton * Tác nhân clorin : Clorin hoá chất thường sử dụng để diệt trùng đồng thời có khả oxy hoá tốt việc oxy hoá As(III) thành As(V) Clorin thường sử dụng rộng rÃi để oxy hoá As(III) thành 91 As(V) thời gian oxy hoá nhanh, hiệu suất cao, tồn nhiều loại ion khác nước gây ảnh hưởng Cơ chế phản ứng xảy nh­ sau : [20] H AsO + OCl - → H AsO - + H + + Cl R R R R P P R R R RP P P P P - §Ĩ oxy hoá 1g As(III) cần 0,95g clorin (quy Cl ) [20] R R - Khả oxy hoá As(III) thành As(V) không phụ thuộc vào pH khoảng 6,3 - 8,3 [20] - Clorin có khả oxy hoá As(III) thành As(V) 95% vòng 42s [20] - Sự có mặt sắt, mangan tổng cacbon hữu không ảnh hưởng đến khả oxy hoá nó, nồng độ sunfit nước từ - mg/l cần thời gian oxy hoá tăng lên 60s [20] * Tác nhân O : Phản ứng As(III) O đà nhiều tác giả R R R R giới nghiên cứu Các nghiên cứu Cliford cộng cho thấy vài phần trăm As(III) dung dịch có hàm lượng 200 àg/l bị oxy hoá oxy không khí thời gian ngày, 25% ngày oxy tinh khiết [13] Kết nghiên cứu nước ngầm với nồng độ Asen tổng từ 46 - 62 àg/l (trong As(III) chiếm 70%) tác giả Kim Nriagu [14] cho thấy 57% As(III) bị oxy hoá oxy tinh khiết, 54% không khí thời gian ngày phản ứng tuân theo quy luật động học bậc Do phản ứng diễn chậm nên oxy hoá As(III) b»ng O kh«ng khÝ kh«ng cã ý R R nghÜa xư lý n­íc cÊp Tuy nhiªn tèc độ phản ứng tăng tốc có mặt số chất xúc tác Fe(III) + UV môi trường axit Cơ chế xúc tác Fe(III) đưa sau [15] Fe(III)(OH)2+ + hν → Fe(II) + OH P P As(III) + OH → As(IV) + OH P P P P 92 As(IV) + O + H + → As(V) + HO R R P P R RP HO + Fe(II) + H + → Fe(III) + H O R RP P P P R R R H O + Fe(II) → Fe(III) + HO - + OH R R R R P P P OH sinh l¹i tiÕp tục tham gia phản ứng P P * Tác nhân O : Ôzôn chất oxy hoá mạnh Phản øng cđa «z«n víi R R As(III) diƠn theo phương trình : [14] H AsO + O = H AsO - + O + H + R R R R R R R R R RP P R R P Phản ứng diễn nhanh tuân theo quy luật động học bậc hai Quá trình oxy hoá diễn hoàn toàn thời gian 39 giây (theo kết nghiên cứu tác giả Dennis Clifford Ganesh Ghurye) Tuy nhiên, hiệu trình chịu ¶nh h­ëng bëi sù cã mỈt cđa S2- , TOC P P chất khử có mặt nước [14] * Tác nhân H O : Kết nghiên cứu động học tác giả R R R R Maurizio Pettine, Luigi Câmpnella Frank J Millero [16] cho thấy phản ứng As(III) H O x¶y nh­ sau : R R R R H AsO - + H O = HAsO 2- + H + + H O R R R RP P R R R R R RP P P P R R HAsO 2- + H O = HAsO 2- + H O R RP P R R R R R RP P R R AsO 3- + H O = HAsO 2- + OH R RP P R R R R R RP P P Nghiên cứu cho thấy phản ứng xóc t¸c bëi c¸c ion nh­ Cu 2+ , P P Mn 2+ , Zn 2+ , Pb 2+ , Fe 2+ P P P P P P P P * Tác nhân Ferrat : Ferrat (Fe(IV)) có khả oxy hoá As(III) theo phương trình : [17] HFeO - + H AsO → s¶n phÈm R RP P R R R R FeO 2- + H AsO → s¶n phÈm R RP P R R R R FeO 2- + H AsO - → s¶n phÈm R RP P R R R RP P FeO 2- + HAsO 2- → s¶n phÈm R RP P R RP P 93 FeO 2- + AsO 3- → s¶n phÈm R RP P R RP P Ph¶n ứng chứng minh bậc chất tham gia phản ứng có hệ số tỷ lệ As(III)/Fe(IV) = 3/2 [17] Cơ chế oxy hoá cho trao đổi nguyên tử oxy ion ferrat dạng tồn As(III) Kết nghiên cứu khả xử lý Asen ferrat nước thực thu tốt Nồng độ Asen giảm từ 517 àg/l xuống 50 àg/l với lượng ferrat mg/l [17] Các kết cho thấy ferrat tác nhân xử lý As(III) đầy hứa hẹn vừa có khả oxy hoá As(III) võa sinh Fe(III) cã tÝnh keo tơ * T¸c nhân MnO : MnO chất rắn không tan nước Quá trình R R R R oxy hoá As(III) bề mặt MnO diễn theo giai đoạn : giai đoạn R R một, H AsO khuyếch tán đến hấp phụ bề mặt Giai đoạn hai diễn R R R R sù oxy ho¸ trùc tiÕp As(III) bëi MnO theo phương trình sau : R R H AsO + MnO = HAsO 2- + Mn 2+ + H O R R R R R R R RP P P P R R C¬ chế đà chứng minh thực nghiệm [6] Mn 2+ sinh sau P P bị oxy hoá oxy không khí Mn 2+ + 1/2O + H O = MnO + 2H + P P R R R R R R P As(V) tạo thành bị hấp phụ bề mặt MnO giải hấp phụ trở R R lại dung dịch Kết nghiên cứu động học trình oxy hoá As(III) MnO tác giả Wolfgang Driehaus, Reiner Seith vµ Martin Jekel [17] R R cho thấy : tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tỷ lệ mol ban đầu Mn As(III), có mặt ion canxi làm giảm bậc phản ứng 0,2 đơn vị, pH khoảng - 10 không ảnh hưởng đến phản ứng 4.3.6 Các phương pháp khác * Phương pháp sinh học : Phương pháp sinh học phương pháp ứng dụng để loại bỏ Asen nước ngầm tính lạ Tuy nhiên, gần đà có nhiều nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến phương 94 pháp thân thiện với môi trường, chi phí đầu tư thấp vật liệu dễ kiếm Vì vậy, năm gần xử lý Asen biện pháp sinh học ưu tiên hàng đầu, biện pháp hoá lý tỏ chậm, tốn phức tạp Một hướng nghiên cứu khả thi tìm loại có khả hấp thụ lượng lớn Asen chuyển lên phận Tính chất phù hợp với công nghệ sinh học xử lý Asen với ưu điểm không gây ô nhiễm môi trường, rẻ tiền dễ tiến hành Phương pháp sử dụng cỏ luồng chân rết loại c©y phỉ biÕn ë ViƯt Nam C©y hÊp thơ Asen qua rễ chuyển lên trữ Nước ngầm xử lý cách cho qua bể trồng theo hình thức thuỷ canh [21] * Phương pháp lọc màng : Đây phương pháp sử dụng màng bán thÊm, chØ cho phÐp n­íc vµ mét sè chÊt hoµ tan qua, để làm nước Công nghệ lọc màng cho phép tách loại chất rắn hoà tan khỏi nước, có Asen Tuy nhiên phương pháp chi phí tốn kém, thiết bị phải chế tạo phức tạp, khó áp dụng trường hợp xử lý Asen nước ngầm cho hộ gia đình, áp dụng trường hợp thật cần thiết, bắt buộc khó áp dụng phương pháp khác keo tụ/đồng kết tủa hay hấp phụ Có nhiều loại màng lọc ứng dụng màng vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc lọc nano * Chưng cất lượng mặt trời : Phương pháp sử dụng lượng mặt trời để làm bốc nước, sau cho nước ngưng tụ lại Quá trình bay ngưng tụ nước tách tất chất, có Asen khỏi nước nước vùng nhiệt đới, với nguồn lượng mặt trời sẵn có áp dụng phương pháp này, đặc biệt vùng ô nhiễm nặng Tuy nhiên, phương pháp nhiều hạn chế chưa giải toán hiệu kinh tế 95 Trên sở phương pháp đà trình bày, qua phân tích tình hình thực tế lựa chọn đề nghị ứng dụng hai mô hình dây chuyền công nghệ để xử lý Asen nước ngầm khu vực phía Nam Hà Nội : Dây chuyền công nghệ dùng phương pháp keo tụ - lắng - lọc Đây phương pháp xử lý truyền thống, mang lại hiệu kinh tế cao, đảm bảo chất lượng nước dễ quản lý, vận hành Mô hình áp dụng với nhiều công suất xử lý khác (hộ gia đình, cụm dân cư, khu vực cấp nước tập trung ) Mô hình minh hoạ hình 4.2 96 Kết luận Qua kết luận văn cho phép rút số kết luận : Nước ngầm hai tầng chứa n­íc Holocen (qh) vµ Pleistocen (qp) khu vùc Nam Hµ Nội bị nhiễm As Trong tầng qh tỷ lệ mẫu có hàm R R lượng từ 0,01 - 0,05 mg/l 34,00% Trong tầng qp, tỷ lệ mẫu có hàm lượng từ 0,01 - 0,05 mg/l lµ 27,16% Các khu vực nhiễm bẩn nằm rải rác tất quận huyện, quận Hai Bà Trưng Thanh Trì vùng có mức độ nhiễm bẩn cao số lượng mẫu lấy tương đối lớn, kết đánh giá có mức độ tin cậy Một số vùng khác Thanh Xuân có tỷ lệ mẫu bị nhiễm bẩn cao song số mẫu nghiên cứu Ýt - Quy lt biÕn ®ỉi cđa As theo diƯn phức tạp - Có thay đổi đột ngột theo diện tích Hàm lượng As chiếm tỷ lệ 50% không trùng với số giá trị trung bình hàm lượng As tập mẫu nghiên cứu Vì sử dụng đặc trưng giá trị trung bình để đánh giá mức độ ô nhiễm nước Số mẫu có giá trị cao 0,1mg/l chiếm tỷ lƯ nhá R R VỊ quy lt ph©n bè theo chiều sâu : Nước mặt nước giếng đào có hàm lượng As không cao (< 0,05mg/l) Song số liệu nghiên cứu biến đổi As theo chiều sâu chưa nhiều Qua nghiên cứu phân bố nồng độ As giếng đào, giếng khoan cấp nước gia đình giếng cấp nước công nghiệp cho thấy : - Nước giếng đào có hàm lượng As thÊp, nhá h¬n 0,05 mg/l 97 - Møc độ ô nhiễm có biểu giảm theo chiều sâu song ch­a thËt râ TÇng chóa chøa n­íc qh cã tỷ lệ mẫu vượt 0,05 34,00% Giá trị cực đại R R khảo sát 0.6 mg/l, cực tiểu 0.0001 mg/l - Tầng chứa nước qp có tỷ lệ mẫu vượt 0,05 mg/l 27,16% từ 0,01 - 0,025 mg/l 21,40% Giá trị cực đại khảo sát 0.24mg/l, cực tiểu 0.00015 mg/l Mức độ nhiễm bẩn tầng qp nhỏ so với tầng qh song khác biệt rõ rệt, song kết luận ban đầu tỷ lệ mẫu tầng qp so với tầng qh - Vị trí nhiễm bẩn hai tầng không hoàn toàn trùng VỊ ngn gèc nhiƠm bÈn cđa As : chđ u liên quan tới nguồn gốc địa chất, kết phân tích số mẫu đất cho thấy hàm lượng As đất cao Nồng độ cao As nước ngầm liên quan tới thành phần vật chất hưu khoáng vật sunfua trầm tích Đệ tứ As tồn môi trường ôxy hoá môi trường khử, As sắt trầm tích có mối quan hệ tương quan Trong nước ngầm, thường vùng có hàm lượng Fe cao thường bị nhiễm bẩn As Tuy nhiên đồ thị tương quan Fe As có quan hệ Có thể chưa phân tích riêng biƯt Fe vµ Fe vµ As(III) vµ As(V) R R R R Ngoài nguồn gốc địa chất không loại trừ nguy nhiễm bẩn từ nước thải chất thải rắn Nước thải có hàm lượng As vượt tiêu chuẩn cho phép số cửa thải có hàm lượng cao, chất thải rắn lớn song chưa xử lý việc sử dụng thuốc trừ sâu lớn nguy gây ô nhiễm Kết tính toán mô hình cho thấy biến đổi nồng độ As nước ngầm theo thời gian không lớn Song để giảm thiểu ô nhiễm cần hạn chế tới mức tối đa nguồn thải chưa xử lý khu vực, hạn chế việc sử dụng mức phân bón thuốc trừ sâu Đồng thời, hạn chế tới mức tối đa việc sử dụng giếng khoan có đường kính nhỏ phục vụ cấp nước gia đình Đẩy mạnh công tác xây dựng hệ thống cấp nước tập trung đà qua xử lý 98 tài liệu tham khảo Tiếng Việt Đỗ Văn ái, Mai Trọng Nhuận Nguyễn Khắc Vinh (2000), "Một số đặc điểm phân bố Asen tự nhiên vấn đề ô nhiễm Asen môi trường Việt Nam", Hội thảo quốc tế ô nhiễm As : Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ người giải pháp phòng ngừa, tr 21 - 32 Đỗ Văn ái, Hồ Vương Bính, Võ Công Nghiệp, Nguyễn Khắc Kinh (2001), "Nguồn gốc « nhiƠm Asen n­íc ë ViƯt Nam", Héi nghÞ Asen nước sinh hoạt xây dựng kế hoạch hành động Hồ Vương Bính, Đặng Văn Can, Phạm Văn Thanh, Bùi Hữu Việt, Phạm Hùng Thanh (2000), "Ô nhiễm Asen sức khoẻ cộng đồng", Hội thảo quốc tế ô nhiễm As : Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ người giải pháp phòng ngừa, tr 91 - 101 Ngô Ngọc Cát (2001), "Về nước đất bị nhiễm độc Asen nước ta", Tạp chí hoạt động khoa học, (số 9), tr 22 - 23 Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ Trao đổi ion Kỹ thuật xử lý nước nước thải, NXB Thống kê, Hà Nội Trần Hồng Côn, Nguyễn Thị Hạnh (2005), "Nghiên cứu chế giải phóng Asen nước ngầm - Mô trình khử yếm khí tự nhiên tầng ngậm nước", Tạp chí Hoá học (số 1), tr - Cục Quản lý Tài nguyên nước - Bộ Tài nguyên Môi trường (2004), Báo cáo nghiên cứu xác định tồn tại, nguồn gốc, quy luật phân bố Arsen đất nước thành phố Hà Nội, Hà Nội Cục Thuỷ lợi - Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn (2003), Báo cáo chuyên đề nghiên cứu xác định mối quan hệ qua lại hàm 99 lượng Asen với thành phần khác, xây dựng luận khoa học nguồn gốc tồn quy luật phân bố Asen, Hà Nội Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Việt Anh, Nguyễn Văn Tín, Đỗ Hải (2000), "Một số công nghệ xử lý Asen nước sinh hoạt đô thị nông thôn", Hội thảo quốc tế ô nhiễm As : Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ người giải pháp phòng ngừa, tr 107 - 112 10 Nguyễn Kinh Quốc, Nguyễn Quỳnh Anh (2000), " Đánh giá sơ độ chứa Asen dự báo khoanh vùng dị thường Asen liên quan đến thành tạo địa chất Việt Nam", Hội thảo quốc tế ô nhiễm As : Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ người giải pháp phòng ngừa, tr 33 - 44 11 Trung tâm đào tạo nghiên cứu tin học địa chất - Trường Đại học Mỏ - Địa chất (1999), Thiết lập mô hình Địa chất Thuỷ văn phần mềm VISUAL MODFLOW, Hà Nội 12 Phạm Hùng Việt, Trần Hồng Côn, Nguyễn Thị Chuyền, Michael Berg, Walter Giger, Roland Schertenleib (2000), "Bước đầu khảo sát nhằm đánh giá hàm lượng Asen nước ngầm nước cấp khu vực Hà Nội", Hội thảo quốc tế ô nhiễm As : Hiện trạng, tác động đến sức khoẻ người giải pháp phòng ngừa, tr.1 - TiÕng Anh 12 Jerome O Nriagu (1994), Arsenic in the Environment, part I : Cycling and characterization, John Wiley and Son 13 Frank P., Clifford D (1986), Arsenic (III) oxidation and removal from drinking water, U S Environmental Protection Agency, EPA600-52-86/021, pp - 86 14 Kim M.J., Niriagu J (1999), Oxidation of arsenite in groundwater using ozone and oxygen, Sci Total Environ., 247, pp 71 - 79 100 15 Paritarm K Dutta, Ajay K Raya, Virender K Sharma, Frank J Millero (2004), Adsorption of arsenate and arsenite on titanium dioxide suspensions, Journal of Colloid and Interface Science, 278, pp 270 - 275 16 Maurizio Pettine, Luigi C©mpnella and Frank J Millero (1999), Arsenite oxidation by H O in aqueous solutions, Geochimica et R R R R Cosmochimica Acta, 63 (19), pp 2727 - 2735 17 Y Unholee, IK - Hwanum, and Jey Yong Yoon (2003), Arsenic (III) Oxidation by Iron (VI) (Ferrate) and Subsequent Removal of Arsenic (V) by Iron (III) Coagulation, Environ, Sci Technol., 37, pp 5750 - 5756 18 Amit Kapadia - Project officer, office of Ground Water and Drinking Water, Technologies and cost for removal arsenic in drinking water, US EPA No 68 - C6.0039 Deliver order 13 19 Samuel Luzi, Michael Berg, Phạm Thị Kim Trang, Phạm Hùng Việt, Roland Schertenleib (2004), Household Sand Filters for Arsenic Removal, Technical report EAWAG 20 J.C Saha, Comparative studies for selection of Technologies for Arsenic removal from Drinking Water, Development Design Consultants Limited, Bangladesh 21 S Tu, Lena Q Ma, Abioye O Fayiga, and Edward J Zillioux (2004) Phytoremediation of Arsenic - Contaminated Groundwater by the Arsenic Hyperaccumulating Fern Pteris vittata L., International Journal of Phytoremediation, 6(1), pp 35 - 47 22 US EPA (2003), Arsenic Trªatment Technologies Evaluation for Small Systems, www.epa.gov/safewater ... hình số Xuất phát từ nhu cầu thực tế đề tài : "Nghiên cứu đánh giá phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội mô hình số, thăm dò đề xuất phương pháp hữu hiệu xử lý Asen" chọn nội dung nghiên cứu luận... nước ngầm khu vực Hà Nội sử dụng làm nước sinh hoạt, đặc biệt đánh giá phân bố Asen phạm vi quận, huyện thuộc khu vực Hà Nội - Hiện trạng phân bố Asen nước ngầm khu vực Hà Nội - ứng dụng mô hình. .. chất nước ngầm để xác định dự báo biến đổi hàm lượng Asen nước ngầm khu vực phía Nam thành phố Hà Nội 3 - Thăm dò, đề xuất phương pháp xử lý Asen Mục đích đề tài - Sơ khoanh vùng phân bố Asen nước