7. Ý nghĩa Khoa học và thực tiễn
1.5.2. Các biện pháp xử lý Asen trong nước
1.5.2.1. Hệ thống lọc cát
Hệ thống lọc cát bao gồm hai bể xi măng chồng lên nhau: bể phía trên đựng cát (loại cát có sẵn ở địa phương ), bể phía dưới dùng để chứa nước đã lọc. Nước ngầm được bơm từ giếng khoan lên bể phía trên, chảy qua lớp cát xuống bể phía dưới. Việc loại bỏ asen phụ thuộc vào hàm lượng sắt tạo thành kết tủa hydroxit sắt lên bề mặt cát, do đó asen sẽ bị hấp phụ lên các kết tủa này trong điều kiện có oxy. Hiệu quả của bể lọc cát được kiểm tra ở hộ gia đình có nguồn nước ngầm với nồng độ asen vượt quá tiêu chuẩn cho phép của Tổ chức Y tế thế giới về hàm lượng asen trong nước uống (10µg/L)
Đối với nước ngầm có nồng độ asen từ 10 - 420µg/L, hàm lượng sắt từ 0- 47 mg/L, phốtpho từ 1- 3,7mg/L thì hiệu quả loại bỏ asen đạt trung bình 80%. Hàm lượng sắt cao làm tăng khả năng loại bỏ asen rõ rệt, trong khi đó hàm lượng phốt pho cao hơn 2mg/L làm giảm hiệu quả loại bỏ asen. Các bể lọc cát như thế này đều sử dụng vật liệu sẵn có tại địa phương và không cần dùng bất cứ loại hoá chất nào, thời gian lọc nhanh và dễ lắp đặt. Hiệu quả loại bỏ sắt trong nước ngầm có thể nhìn thấy ngay lập tức nên người dân dễ dàng hiểu được tác dụng của bể lọc cát ngay cả khi họ chưa biết đến vấn đề ô nhiễm asen. Ước tính trên cả nước có khoảng trên 90% số hộ gia đình sử dụng bể lọc cát. [10]
Năm 2007, xã Đông Lỗ, huyện Ứng Hòa (Hà Tây) đã xử lý được nguồn nước giếng khoan bằng cách đồng loạt xây dựng 100 bể lọc cát giảm thiểu asen. Sau khi qua bể lọc, xét nghiệm 100 mẫu nuớc cho thấy có 84 mẫu giảm asen từ 80% trở lên; 33 mẫu nước giảm đáng kể cả hàm lượng asen và sắt.
Trung tâm Nước sinh hoạt VSMT nông thôn Hà Tây đã đưa ra mô hình bể lọc chuẩn có thể tích 80 x 80 x 100 cm, trong đó có 1 lớp cát vàng hạt thô dày 50 cm, phía dưới là lớp đá cuội dày 10 cm để lọc; đồng thời phía trên có giàn phun mưa đơn giản bằng ống nhựa PVC. Bể lọc này có thể loại trừ được 90% asen trong nước. Theo đó, bể lọc gia đình đạt tiêu chuẩn có kích thước rộng 50cm, dài 60cm, cao 80cm. Bể lọc sử dụng lớp sỏi dày 5-10cm (lõi hạt từ 0,5-1cm) và lớp cát vàng dày 40-45cm (lõi hạt từ 0,2-2mm). Bể được bố trí hệ thống 3 van, nước sạch được thu vào bể chứa và giàn phun mưa bằng ống nhựa PVC được khoan từ 150-180 lỗ… Bên cạnh bể lọc chính còn có bể lọc phụ để xử lý chất cặn có nhiễm Asen trước khi xả ra rãnh tiêu. [5]
Tuy nhiên, bể lọc cát cũng có một số hạn chế nhất định như hiệu quả lọc sắt lúc đầu tốt, nhưng giảm nhanh (nước lọc vàng dần) sau một thời gian ngắn sử dụng; lưu lượng nước giảm nhanh do kết tủa sắt làm tắc lớp cát lọc; việc rửa lớp cát lọc khó khăn và nặng do phải lấy cát ra ngoài để rửa; nước lọc nhiều bể lọc có độ trong không tốt và còn có vị sắt.
năng lọc và lưu lượng nước lọc ổn định, hiệu quả lọc cả sắt và asen cao hơn, quy trình rửa lớp cát lọc được giảm nhẹ. Cải tiến các bể lọc theo thiết kế của NIOEH trên cơ sở: chỉnh sửa kích thước bể lọc, lắp hệ thống giàn phun mưa để tăng độ thoáng khí, sử dụng cát vàng thay cát đen, lắp đặt hệ thống van hỗ trợ việc rửa trôi các kết tủa khỏi lớp cát lọc. Thiết bị của NIOEH đã được thử nghiệm tại hai xã Đồn Xá - Hà Nam và Dũng Tiến – Hà Tây và đã cho những kết quả khả quan. Ở hai xã này, nước ngầm là nguồn nước chính dùng cho ăn uống sinh hoạt từ 20-30 năm nay, gần 100% hộ gia đình đang dùng bể lọc cát để loại bỏ sắt trong nước ngầm.
1.5.2.2. Hệ thống lọc với vật liệu MF-97
Vật liệu sắt-mangan (MF-97) là loại vật liệu có nhiều ưu điểm trong việc lọc nước, được đưa vào sử dụng năm 1997. Bộ lọc với MF-97 có thể lọc với tốc độ cao, khoảng 30-60L/h, quá trình oxy hoá và hấp phụ xảy ra đồng thời ( loại bỏ cả As(III) và As(V)), ngoài ra còn lọc được hầu hết các kim loại nặng khác(Mn, Hg, Fe) []
Công việc xử lý asen nhằm xác định hàm lượng asen trước lọc và sau lọc, so sánh để kết luận loại hình bể lọc nào có tỷ lệ asen giảm nhiều nhất, phù hợp nhất, từ đó có thể tuyên truyền để các hộ dân cư tự áp dụng cho giếng nhà mình. Như vậy, mục tiêu cụ thể đặt ra là: xác định tỷ lệ giảm hàm lượng asen trong các giếng khoan có giàn phun mưa, bể lọc cát truyền thống với các loại vật liệu khác nhau.
Đối tượng vật liệu sử dụng:
- Xỉ than lấy tại địa phương được nghiền nhỏ và rửa nước phần tan, - Cát vàng tuyển, sỏi phổ thông tại địa phương,
Phương pháp nghiên cứu: chọn một số giếng khoan tại địa phương đại diện có hàm lượng asen cao hơn 0,1mg/L để lắp các hệ thống lọc, kiểm tra kết quả sau những khoảng thời gian nhất định.
Với các mô hình bể lọc trực tiếp có giàn mưa, cát vàng với độ dày từ 40cm đến 60cm, ngăn chứa phù hợp với gia đình thì lượng asen giảm rất lớn.
Mô hình vật liệu lọc cát và vật liệu xỉ than có kết quả tương đương nhau. Mô hình vật liệu lọc bằng MF-97 có độ giảm asen lớn hơn
Viện Hoá, Viện địa lý và Trung tâm nước sạch vệ sinh môi trường nông thôn đã phối hợp xử lý asen trên vật liệu MF-97 tại Bình Lục, Lý Nhân, Duy Tiên tỉnh Hà Nam trong vòng 3 tháng và đã cho thấy vật liệu MF-97 có khả năng hấp phụ rất tốt.[12]
1.5.2.3. Xử lý Asen bằng dòng điện
Điện phân loại asen ra khỏi nước dưới tác dụng của dòng điện có nhiều ưu điểm như không sử dụng hoá chất, ít tốn điện năng, nếu không có nguồn điện thì dùng ắc qui, người sử dụng có thể tiến hành xử lý và bảo quản dễ dàng, giá thành rẻ phù hợp với đời sống của người dân nông thôn, có thể thiết kế thiết bị to nhỏ khác nhau, điện cực dễ chế tạo bằng vật liệu phổ biến.[10]
Thiết bị gồm thùng đựng bằng nhựa hay inok 100-200 lít, điện cực bằng hợp kim, thiết bị biến thế nắn dòng 220V xuống 12V, dòng điện 2,5A và bộ lọc sạch chứa than hoạt tính và cát thạch anh. Có hai loại thiết bị: thiết bị xử lý liên tục và thiết bị xử lý gián đoạn.
Thiết bị thẩm thấu ngược RO cũng được dùng để tách asen và các kim loại nặng ra khỏi nước. Hệ thống thiết bị RO có ưu điểm gọn nhẹ, có thể cài đặt trực tiếp vào vòi nước. Hệ thống này bao gồm một thiết bị thẩm thấu ngược RO, ba bình tiền lọc có tác dụng loại bỏ tất cả những cặn vẩn, tạp chất khỏi nước trước khi đi qua màng RO và kéo dài tuổi thọ màng. Bình tích áp lắp đặt sau thiết bị RO có vai trò trữ nước qua xử lý, đảm bảo cung cấp nhu cầu sử dụng nước của hộ gia đình. Nước sau khi xử lý qua thiết bị RO đạt tiêu chuẩn nước tinh khiết. Tuy nhiên, việc sử
Cự). Quặng pyroluzit được nghiền nhỏ, rửa quặng bằng nước cất và sấy khô ở 1050C.
Hệ thống lọc asen sử dụng quặng MnO2 được chia làm hai hệ thống:
- Hệ thống lọc với nồng độ sắt thấp (<1mg/L): nước nhiễm asen và sắt ở nồng độ thấp được đưa qua bộ phận trộn khí để oxy hoá sắt, sau đó hỗn hợp được đưa qua bể hấp phụ để tách loại asen, tiếp theo nước được dẫn qua cột vi lọc để tách hoàn toàn phần asen còn lại. Thiết bị sẽ được làm sạch định kỳ và vật liệu lọc được thay thế tuỳ thuộc vào nồng độ asen trong nước.
- Hệ thống lọc cộng kết gồm hai bộ phận chính: bộ phận tách Fe và tách sơ bộ As (bộ trộn khí, chứa alowat hoặc FS, thiết bị lọc nổi) và bộ phận hấp phụ (bể lọc hấp phụ chứa 100kg quặng MnO2, cột vi lọc nhồi polyethylene). Nước ngầm được đưa qua bộ trộn khí chứa vật liệu xúc tác để oxy hoá Fe và Mn. Nước được dẫn vào bể lọc chứa vật liệu lọc xốp để tách các phần cặn. As và Mn còn lại sẽ qua bộ lọc hấp phụ chứa một lớp cát đã hoạt hoá để lọc tinh. Nước đầu ra từ hệ lọc hấp phụ được dẫn qua cột vi lọc để tách tiếp phần tạp còn lại trước khi đem sử dụng.
Kết quả cho thấy nước nhiễm asen sau khi được xử lý bằng vật liệu quặng py- zoluzit đạt tiêu chuẩn quy định của tổ chức Y tế Thế giới và Việt Nam (<10µg/L). Sắt hoặc mangan từ vật liệu không bị nhiễm vào nước, không cần bổ sung thêm hoá chất, hệ thống đơn giản và dễ vận hành. [14]
1.5.2.5. Xử lý Asen bằng sắt và đá ong biến tính (Laterite)
Laterite (đá ong) là khoáng vật tồn tại tự nhiên rất phong phú trên nhiều vùng tại miền Bắc Việt Nam. Nó đựơc biết đến như một loại vật liệu xây dựng trong dân gian từ lâu đời. Gần đây, trong những nghiên cứu đã công bố, laterite hay các dạng
sắt oxohydroxit kết vón còn chứng tỏ là chất hấp phụ rất tốt, đặc biệt đối với các hợp chất vô cơ. Các nghiên cứu này cũng cho thấy, ở dạng nguyên khai, laterite có khả năng hấp phụ cao, nhưng nó cũng có nhược điểm lớn nhất là dễ bị rã ra khi tiếp xúc hay khuấy trộn với nước, đặc biệt là phần sét xen kẽ giữa các lớp Fe2O3.nH2O. Mặt khác trong tự nhiên, laterite cũng thường ở trạng thái hấp phụ no các ion và hợp chất có sẵn, do đó khi sử dụng laterite làm vật liệu hấp phụ thường phải xử lý hoặc rửa giải để tái sinh khả năng hấp phụ hoặc loại bỏ hoàn toàn các chất đã hấp phụ. Việc thiêu kết ở nhiệt độ cao (sự biến tính bằng nhiệt) đã làm cho laterite có độ bền cơ lý cao hơn nhiều và giải hấp gần như toàn bộ các chất hấp phụ tự nhiên trong đó đáng quan tâm nhất là asen. Song ở dạng này (cũng như dạng sét sau thiêu kết thành gốm) khả năng hấp phụ lại giảm hẳn. [9]
Các loại sét và đá ong qua biến tính bằng nhiệt đã cho ra loại vật liệu dạng hạt có kích cỡ khác nhau theo ý muốn và độ bền cơ học cao, đáp ứng được yêu cầu sử dụng làm vật liệu xử lý nước ăn uống trong thực tế. Vật liệu hấp phụ được tạo ra qua hai bước: bước thứ nhất là làm xốp bề mặt vật liệu và bước thứ hai là hoạt hoá bề mặt ấy bằng cách tạo một lớp màng hydroxit hoạt động gắn kết với lớp vật liệu gốc phía trong.
Trước hết, sét và đá ong sau thiêu kết được gia công để lấy các cỡ hạt khác nhau, rửa hết bụi nhỏ bằng nước cất và sấy khô ở nhiệt độ 1050C. Lấy cỡ hạt có kích thước từ 1 đến 4 mm (kí hiệu là VLS0 và VLL0 tương ứng với vật liệu sét nung và laterite thiêu kết) để nghiên cứu. Sau đó, đem làm xốp bề mặt bằng cách ngâm trong axit ở những nồng độ khác nhau (0,5; 1,0; và 1,5M) và thời gian khác nhau (30, 60, và 90 phút). Vật liệu ngâm trong axit với nồng độ thích hợp, một mặt sẽ làm xốp vật liệu do chúng bị hoà tan một phần, mặt khác chính việc hoà tan đó đã tạo ra dung dịch Fe(III) và một lớp ion Fe3+ bị hấp phụ ngay trên bề mặt của các hạt vật liệu. Việc tạo lớp hydroxit trên bề mặt các hạt vật liệu cũng được tiến hành theo hai cách: một là dùng dung dịch NaOH 1M trung hoà và cho dư rồi để ngâm tiếp tục trong vòng 1 giờ. Lọc, rửa đến khi dịch lọc có pH khoảng 8 thì dừng lại, sấy khô, thu được loại vật liệu ký hiệu là VLS1 (VLS1, VLS2, VLS3 ứng với sản phẩm
trong cùng điều kiện bằng cách khuấy đều 100g vật liệu hấp phụ trong 1 lít dung dịch asen (III) cũng như asen (V) sau một khoảng thời gian nhất định, sau đó phân tích nồng độ asen còn lại trong pha nước để tính phần trăm asen đã bị hấp phụ. Kết quả như sau: vật liệu xử lý theo cách thứ nhất hiệu quả hấp phụ asen chỉ đạt khoảng dưới 40% đối với asen(III) và dưới 30% đối với asen(V), thấp hơn so với trước khi xử lý. Ngược lại, cách xử lý thứ hai, hầu hết các mẫu vật liệu đều chứng tỏ khả năng hấp phụ tốt hơn hẳn so với mẫu ban đầu không qua xử lý. Dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu laterite thiêu kết rồi hoạt hoá là khoảng 2.000mg/kg. Đối với laterite nguyên khai, dung lượng hấp phụ cực đại là 1.100mg/kg. Với sét nung hoạt hoá, dung lượng hấp phụ cực đại là 800mg/kg so với sét nung không hoạt hoá là 240mg/kg. Hệ thống xử lý sử dụng sét và đá ong biến tính có thể ứng dụng ở quy mô hộ gia đình hoặc cụm dân cư với chất lượng nước đạt tiêu chuẩn Việt Nam và thế giới về hàm lượng asen trong nước. [8]
1.5.2.6. Loại trừ asen bằng than hoạt tính làm từ gáo dừa
Than hoạt tính là một vật liệu đã được sử dụng rất rộng rãi trong công nghệ xử lý nước. Ở Việt nam,chúng thường được dùng để hấp phụ mùi, mầu trong các công trình xử lý nước. Trong số đó, than hoạt tính làm từ gáo dừa của Việt Nam là một sản phẩm đã được thương mại hoá trên thị trường và có khả năng hấp phụ asen trong nước ngầm. Than có dạng hạt và thành phần chủ yếu là Các-bon (92,44%), ngoài còn có H, N, S, O (5.02%), tro (2,54%), than có chứa một lượng sắt tan được trong HCL loãng là 0,1mg/g. [9]
Tiến hành hấp phụ asen qua cột lọc làm bằng ống nhựa PVC, tiết diện 40cm2, mỗi cột lọc chứa 1 lít than. Nước đựơc lọc trực tiếp qua vật liệu.
Dung lượng hấp phụ của than gáo dừa kém Limonit, nhưng dung lượng hấp phụ của cột và dung lượng sử dụng thì cao hơn. Vậy than gáo dừa có khả năng loại bỏ asen trong nước ngầm ở quy mô hộ gia đình dưới dạng cột lọc. Muốn xử lý để nước ra đạt tiêu chuẩn Vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y Tế thì vận tốc lọc phải nhỏ, tức là than hoạt tính này chỉ thích hợp với công suất nhỏ.
1.5.2.7. Xử lý asen với cả vật liệu oxy hoá và vật liệu hấp phụ
Các tác giả Lê Văn Cát, Trần Kim Hoa...(2007) đã nghiên cứu vật liệu FeOOH để hấp phụ As.
Quá trình oxi hóa As (III) được thực hiện bằng Clo, pemanganat, hydrogen pe- roxide ở những hàm lượng khác nhau, khi có mặt của Fe(II) và nồng độ As ban đầu là 200µg/L.
Thiết bị lọc này còn có cấu tạo rất đơn giản: Nó có dạng một chiếc thùng có hai ngăn bằng inox: ngăn thứ nhất (đầu vào) chứa một cột lọc . Khi nước chảy qua cột lọc, asen trong nước sẽ bị oxy hoá; các hạt đất sét, đá ong và đá son biến tính trong cột sẽ giữ lại asen và mangan. Cuối cùng, nước sạch sẽ chảy vào thùng thứ hai sẵn sàng cho sử dụng. Nguyên lý của bình lọc là khi mực nước trong bình chứa hạ xuống, van cấp nước thô tự động mở ra và khi nước trong bình đầy thì van này đóng lại. Lớp vật liệu oxy hóa là MnO2 trên đá ong biến tính (màu nâu đen) nhằm xúc tác oxy hóa. Lớp vật liệu hấp phụ là đá ong biến tính (màu nâu). Cột chứa nước khi no asen và mangan sẽ được thay mới. Sau khi rửa cột lọc thu được dung dịch chứa asen, thêm vôi vào để kết tủa asen thành canxi asenat - một chất có tác dụng khử bọt và khử màu thuỷ tinh rất tốt.
Thiết bị này đã được thử nghiệm để lọc nước giếng khoan 10 ngày liên tục, sau khi xử lý còn nhỏ hơn 10µg/L, dưới giới hạn cho phép của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) và TCVN về asen. [14]
1.5.3. Giới thiệu vật liệu lọc Asen 1.5.3.1. Vật liệu oxi hóa xử lý Asen 1.5.3.1. Vật liệu oxi hóa xử lý Asen