Bài giảng Công nghệ xử lý nước: Xử lý chất đặc biệt trong nước - PGS.TS. Nguyễn Việt Anh

Cã nhiÒu lo¹i mµng läc ®−îc sö dông nh− vi läc, thÈm thÊu ng−îc, ®iÖn thÈm t¸ch, siªu läc vµ läc nano. Arsenic removal by biofilter - With Iron oxidyzing bacteria 2.10[r]

(1)

C«ng nghƯ xư lý n−íc

xử lý chất đặc biệt

trong n−ớc

PGS TS Ngun ViƯt Anh

Viện Khoa học Kỹ thuật Môi tr−ờng, Tr−ờng đại học Xây dựng

Xư lý Asen

1 Giíi thiƯu vỊ Asen

Asenlà ngun tố hình thành tự nhiờn v Trỏi t

Các hợp chất asen vô cơ:

- Arsenat (As(V), arsenite (As(III), arsenic sulfide (HAsS2),

asen nguyên tố (As0) asen dạng khí Arsine AsH

(As(-III))

- Các hỵp chÊt Arsenate (As(V): H3AsO4, H2AsO4-, HAsO4

2-, AsO43-

- Các hợp chất Arsenite (As(III): Các hợp chất asen vô bị khử, nh H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32-, AsO33-

Các hợp chất asen hữu cơ:(CH3)2AsO(OH),

C6H5AsO(OH)2, vv

Các dạng hợp chất hữu asen th−ờng độc so với hợp chất asen vô

Trong MT khử (trong lũng t):

VK kỵ khí (Methanogenic bacteria) khử As(V) sang As (III) Metyl hoá chúng, tạo nên Methylarsenic acid CH3AsO(OH)2 hay Dimethyl Arsenic Acid (cacodylic) (CH3)2AsO(OH)

Những chất đ−ợc Methyl hố tiếp tạo Trimethylarsine bay độc Dimethylarsine (III) độc

Giới thiệu Asen

Nồng độ hợp chất Arsenat As(IV)

trong nớc ngầm phụ thuộc vàp pH

Asen tồn phổ biến môi tr−ờng xung quanh, ng−ời tiếp xúc với l−ợng nhỏ chúng

Con đ−ờng thâm nhập chủ yếu asen vào thể qua đ−ờng thức ăn (trung bình 25 - 50ug/ngđ), ngồi cịn l−ợng nhỏ qua n−ớc uống khơng khí Một số loài cá thuỷ sản dùng làm thực phẩm chứa asen cao bình th−ờng, nh−ng l−ợng asen th−ờng tồn d−ới dạng hợp chất asen hữu độc

As tÕ bµo thùc vËt: 0,01 - ppm / trọng lợng khô.

Thực vật biển: nhiều As Tảo biển, tảo nâu: 94 ppm.

TÕ bµo ng−êi: < 0,3 ppm.

Tôm cá biển: 120 ppm/trọng lợng khô.

Công dụng:

Sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ (cả asen hữu asen vô cơ)

Bảo quản gỗ

(Thuốc nhuộm, sơn.)

Luyn kim (tng cng ca ng);

Gốm thuỷ tinh, Bán dẫn,Điện tư, Y häc, Ho¸ chÊt, vv

(2)

As(III)

As(V)

Nhiều vùng giới bị ô nhiễm hay có dấu hiệu bị ô nhiễm asen n−ớc ngầm với hàm l−ợng cao, nh− ấn độ, Bangladesh, Mông cổ, Đài loan, Ghana, Achentina, Chilê,

97% dân số Bangladesh (120 triệu ng−ời) sử dụng n−ớc ngầm làm nguồn n−ớc cấp cho sinh hoạt Trong số có tới 77 triệu ng−ời sử dụng nguồn n−ớc có chứa asen với hàm l−ợng cao

Max n

Country n natural

a anthropogenic

mmine waste mg/L

People at risk

Nepal

Laos Cambodia Pakistan

Thailand Sumatra

3.6 n 11 Mio.? Vietnam

0.4 n 10 Mio

USA

Arsenic in groundwater worldwide

Asen cã ¶nh h−ëng tíi søc kháe

con ng−êi nh− thÕ nµo?

Một lợng lớn Asen gây chết ng−êi

Mức độ nhiễm nhẹ dẫn đến th−ơng tổn mô hay hệ thống thể

Khi Asen th©m nhËp qua miệng: đau rát hệ thống tiêu hóa, buồn nôn, nôn mửa tiêu chảy Ngoài bị giảm lợng hồng cầu bạch cầu máu, rối loạn tim mạch, tổn thơng mạch máu, suy gan, thận, rối loạn thần kinh, gây cảm giác nh bị gai đâm vào lòng bàn chân tay

Asen có ¶nh h−ëng tíi søc kháe

Khi bị nhiễm độc Asen dạng hợp chất vô qua đ−ờng miệng: xuất vết màu đen sáng da, “hạt ngơ“ nhỏ lịng bàn tay, lịng bàn chân nạn nhân Nếu khơng đ−ợc chữa trị cách kịp thời, hạt nhỏ biến chứng gây ung th− da Asen tăng nguy gây ung th− thể,

lµ ë gan, thËn, bµng quang vµ phỉi

Nhiễm độc hợp chất Asen vô qua đ−ờng hô hấp: đau nhẹ đến đau nhức da, mắt, miệng, , bệnh ung th− phổi

Ô nhiễm asen qua đ−ờng hô hấp với nồng độ khoảng 200 ug/m3th−ờng gây đau rát mũi, họng da nơi tiếp xúc

Bị nhiễm độc mức cao có triệu chứng t−ơng tự nh− nhiễm mạn tính qua đ−ờng miệng mức trung bình

Asen cã ¶nh h−ëng tíi søc kháe

US EPA: với l−ợng tiếp nhận hàng ngày 1ug/kg.ngđ (khoảng 50 - 100ugđối với ng−ời lớn) thời gian dài dẫn tới nguy ung th− da với xác suất 0.1% (1/1000) L−ợng t−ơng đ−ơng với sử dụng n−ớc nguồn ô nhiễm asen với hàm l−ợng 25 - 50ug/l đời ng−ời

Hít thở th−ờng xun khơng khí chứa 1ug/m3asen có thể dẫn đến ung th− với xác suất khoảng 0.4% (4/1000)

(3)

WHO: nồng độ giới hạn cho phép Asen n−ớc cấp uống trực: 10ug/l

US EPA, EU: h−íng tíi - 20ug/l

Việt Nam: nồng độ giới hạn cho phép Asen n−ớc cấp:

¡n uèng: 10ug/l (QCVN 01:2009/BYT)

Sinh ho¹t, cÊp n−íc tËp trung: 10 ug/l (QCVN 02:2009/BYT, Giíi h¹n I)

Sinh hoạt, cấp n−ớc chỗ hộ gia đình: 50ug/l (QCVN 02:2009/BYT, Gii hn II)

2 Các công nghệ xử lý asen

trong nớc ngầm

ãTạo kết tủa - Lắng ãKeo tụ - Lắng ãLọc

ãHấp phụ ãÔxy hoá ãLọc màng

ãOxy hoá quang năng,

Quy mô nhỏ: tập trung vào giải pháp cơng nghệ đơn giản, chi phí thấp.

Nhìn chung, giải pháp tạm thời, chi phí thấp th−ờng không đáp ứng đ−ợc tiêu chuẩn WHO (10 ppb) Cần thiết phải sử dụng giải pháp dài hạn, hay sử dụng kết hợp số công nghệ.

2.1 Tạo kết tủa - Lắng - lọc

Nguyên tắc: tạo chất kết tủa với ion tan dung dÞch

Sắt th−ờng tồn n−ớc ngầm dạng Hydro cacbonat Sắt (II) hồ tan Khi gặp oxy, đ−ợc oxy hố tạo thành chất kết tủa Các hợp chất Asen có khả hấp phụ lên ““bơng““ kết tủa (Ph−ơng pháp cộng kết tủa)

T¸ch khái nớc nhờ Lắng Lọc

Các trạm xử lý nớc ngầm chứa sắt thờng đợc thiết kế theo công nghệ làm thoáng - lắng - lọc Những trạm khử đợc asen mà không cần dùng hoá chất keo tụ

Cơ chế trinh xử lý Asen

iron oxidation iron coagulation arsenic oxidation arsenic co-precipitation

In sand filter iron oxidation iron precipitation on sand arsenic oxidation arsenic co-precipitation

2.2 Keo tô - l¾ng - läc

Dùng chất keo tụ, nh− muối Sắt Nhôm (phèn), chuyển Asen từ dạng tan sang dạng không tan nhờ phản ứng hố học, sau tách khỏi n−ớc nhờ lng v/hoc lc

Có thể phải oxy hoá sơ và/hoặc điều chỉnh pH. Xử lý cặn thải chứa arsen từ trình keo tụ? Phèn Sắt thờng cho hiệu xử lý cao so với

cùng l−ợng phèn Nhôm, độ dao động pH cho phộp ln hn

So sánh hiệu khử Asen với loại phèn keo tụ khác nhau: FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3:

FeCl3cho phép đạt hiệu suất loại bỏ Asen cao nhất: > 90 %

2.3 läc

Vật liệu lọc thông thờng: cát, than antraxit, than ho¹t tÝnh d¹ng h¹t,

(4)

2.4 HÊp phơ:

Asen đ−ợc hấp phụ lên bề mặt vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xellulo nh−: Than hoạt tính; than hoạt tính xử lý số hợp chất kim loại; hợp chất oxyt sắt, oxyt titan, oxyt silic; sét khoáng (caolanh, bentonite, ); boxit, hematite, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; chitin chitosan; bone char; cát bọc lớp oxyt sắt dyoxit mangan MnO2; vật liệu xellulo (mùn c−a, bột giấy báo), vv

Hiệu suất xử lý tăng sử dụng chất oxy hoá hỗ trợ trình hấp phụ asen.

Dùng mạt sắt (Fe hoá trị 0)

Fe = 2000 mg/l Hiệu suất đạt > 93% Sự có mặt Sulffat làm tăng hiệu suất x lý,

khi Phosohate lại làm ức chế t = 12 h 3,5 ng®

dïng O

dùng Oxyt nhôm kim loại hoạt hoá

VËt liƯu hÊp phơ cã ngn gèc tõ nh«m,

có khả tách Asen dạng tồn phỉ biÕn ë n−íc lµ As (III) vµ As(V)

(Aqua-BindTM, vv.)

Nhơm hoạt hố có tính lựa chọn cao As(V) Cần tính đến khả hồn ngun thay vật

liƯu lọc sử dụng

Hàm lợng sắt n−íc ngn cµng cao, hiƯu st khư asen vµ chu kỳ làm việc hai lần hoàn nguyên tăng

Hạn chế: lợng vật liệu hấp phụ thải lín: 50 - 200 g / m3n−íc (gÊp gÇn 10 lần so với lợng cặn tạo thành sử dụng phơng pháp keo tụ phèn sắt)

C«ng nghƯ AsRT: Läc víi vËt liƯu hÊp phơ mạt sắt trộn lẫn với cát thạch anh

HÖ thèng bao gåm cét läc nèi tiÕp

- Cét thø nhÊt víi vËt liƯu läc lµ Sulfat Bari cát thạch anh

- Cột thứ hai với vật liệu lọc mạt sắt cát th¹ch anh

Sắt bị oxy hố, tạo mơi tr−ờng thiếu khí (anoxic) Asen (trong điều kiện thiếu oxy) Mạt sắt (= Ion sắt hoá trị 0) khử Asen vô thành dạng kết tủa với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với Sulfat tạo Pyrit Asen Asen đ−ợc giữlại cột lọc Arsen n−ớc sau xử lý đạt d−ới 27 ppb

Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát

dïng Hydroxyt s¾t

Vật liệu hấp phụ: bột giấy báo có phủ lớp Hydroxyt sắt (III) (Giấy báo cắt vụn đ−ợc trộn với khoáng chất Blender nghiền nhỏ thành bột Sau trộn với hydroxyt sắt khuấy đều, làm hydroxyt sắt bám vào sợi xellulo)

Vật liệu phấp phụ Hydroxyt sắt dạng hạt (Driehaus, Đức) Vật liệu có khả hấp phô cao:

Nồng độ arsen n−ớc tr−ớc xử lý 100 – 180 ppb, sau xử lý đạt < 10 ppb.

dïng Laterite

Là loại đất sét có màu đỏ, phổ biến vùng nhiệt đới

Thành phần chủ yếu Laterite Hydroxyt Sắt Nhôm, oxyt ngậm n−ớc chúng, l−ợng nhỏ hợp chất Mangan, Titan ởđiều kiện tự nhiên, loại đất sét ny cú in tớch b

mặt dơng, có khả hấp phụ chất bẩn mang điện tích âm nh− Arsenic

(5)

2.5 Trao đổi Ion

Anion axit m¹nh (Cl-): chun gèc arsenate H 2AsO4 -sang arsenate H2AsO42-

Asen sau xử lý đạt d−ới ppb Hồn ngun: NaCl

2.6 Oxy ho¸

Làm thoángbằng cách sục không khí vào nớc, oxy hoá asen sắt có nớc, tạo chÊt kÕt tđa FeAsO4

Làm thống đơn giản lắng: Asen đ−ợc tách với Hydroxyt Sắt kết tủa Hiệu suất xử lý đạt 25% n−ớc ngầm chứa nhiều sắt

Advantage: aeration assures oxygen saturation for iron oxidation

Disadvantage: construction requires special material and skills, higher costs

2.7 Oxy hãa quang ho¸

Loại bỏ Arsenite (As(III)) chất hoà tan khác nh− Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi n−ớc cách đ−a chất oxy hoá chất hấp phụ quang hố Chiếu tia cực tím vào n−ớc sau lắng. Chất oxy hố oxy tinh khiết sục khí Chất hấp phụ quang hố Fe(II), Fe(III),

Ca(II)

Cã thÓ sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tÝm

Phản ứng xảy nhiệt độ phịng ánh sáng thấp, khơng địi hỏi thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hoá thành As(V) với tốc độ chậm,

cã thể sử dụng chất oxy hoá mạnh nh Cl2, H2O2 O3 Phần lớn chi phí xử lý chât oxy hoá (Khoa G.H., Emett M.T et al, 1997).

Phơng pháp SORAS

Phn ứngoxy hoá quang hoánhờ l−ợng xạ (SORAS): oxy hoá quang hoá As(III) thành As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau tách As(V) khỏi n−ớc nhờ hấp ph bng cỏc ht Fe(III)

Tăng cờng hiệu suất nhờ nhỏ thêm vài giọt

chanh, giúp cho trình tạo keo

Fe(III).

(6)

2.8 Ch−ng cất n

ă

ng l−ợng mặt trời

bốc n−ớc, sau cho n−ớc ng−ng tụ lại Q trình bay ng−ng tụ n−ớc tách tất chất, có Asen khỏi n−ớc

áp dụng tốt n−ớc vùng nhiệt đới, với nguồn l−ợng mặt trời sẵn có

2.9 Lọc màng

Có nhiều loại màng lọc đợc sử dụng nh vi lọc, thẩm thấu ngợc, điện thẩm tách, siêu lọc lọc nano