Khi nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, loại bỏ Asen trƣớc tiên phải căn cứ vào trạng thái tồn tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nƣớc, các yếu tố và điều kiện địa phƣơng...
Cần nhấn mạnh rằng TCCP về hàm lƣợng Asen trong nƣớc ăn uống sinh hoạt theo TC 505/ BYT năm 1992 là 0,05 mg/l hay 50 µg/l, nhƣng do độc tính cao của Asen nên quy định theo TC 1329/BYT năm 2002 là 0,01 mg/l hay 10 µg/l tức là nhƣ quy định của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), Mỹ (US EPA), Cộng đồng châu Âu (EU). Dƣới đây là một số công nghệ xử lý nƣớc ô nhiễm Asen ở các nƣớc và Việt Nam.
Công nghệ loại bỏ Asen trong nƣớc, phần lớn là nƣớc dƣới đất đƣợc phân thành các phƣơng pháp chủ yếu sau:
Keo tụ, kết tủa - Lắng hay Cộng keo tụ - kết tủa - lắng; Oxi hóa; Sử dụng ánh sáng mặt trời hay oxi hóa quang hóa; Hấp phụ; Trao đổi ion; Lọc qua lớp vật liệu lọc, Lọc màng; Phƣơng pháp sinh học và cây trồng; Sử dụng kết hợp các phƣơng pháp trên.
Keo tụ - Kết tủa
Cộng kết tủa - lắng - lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan có sẵn trong nƣớc ngầm tự nhiên. Đây là phƣơng pháp xử lý đơn giản nhất, bằng cách bơm nƣớc ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa. Asen (III) đƣợc oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo thành và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc. Nghiên cứu của Trung tâm KTMT ĐT & KCN (CEETIA), Trƣờng ĐHXD và Trung tâm CNMT & PTBV (CETASD), Trƣờng ĐHKHTN năm 2000 - 2002 cho thấy công nghệ hiện đại có tại các nhà máy nƣớc ở Hà Nội, chủ yếu để xử lý sắt và mangan, cho phép loại bỏ 50 - 80% Asen có trong nƣớc ngầm mạch sâu khu vực Hà
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
47
Nội. Nghiên cứu gần đây của CETASD và Viện Công nghệ Môi trƣờng Liên bang Thụy Sĩ cho thấy đối với các hộ gia đình sử dụng giếng khoan đơn lẻ, nơi có hàm lƣợng sắt cao trong nƣớc ngầm, mô hình làm thoáng nƣớc ngầm bằng cách phun mƣa trên bề mặt bể lọc cát (lọc chậm), phổ biến ở các hộ gia đình hiện nay, cho phép loại bỏ tới 80% Asen trong nƣớc ngầm cùng với việc loại bỏ sắt và mangan. Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lƣợng Asen trong nƣớc sau khi xử lý bằng phƣơng pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nƣớc nguồn và trong đa số trƣờng hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dƣới tiêu chuẩn, do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phƣơng pháp khác.
Keo tụ bằng hóa chất:
Phƣơng pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2) để khử Asen. Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 %. Keo tụ bằng vôi đạt hiệu suất cao với pH trên 10,5 cho phép đạt hiệu suất khử Asen cao, với nồng độ Asen ban đầu khoảng 50 µg/l. Có thể sử dụng để khử Asen kết hợp với làm mềm nƣớc. Tuy vậy, phƣơng pháp này khó cho phép đạt đƣợc nồng độ Asen trong nƣớc sau xử lý xuống tới 10 mg/l. Một hạn chế của phƣơng pháp sử dụng vôi là tạo ra một lƣợng cặn lớn sau xử lý.
Ngoài ra còn có thể dùng phƣơng pháp keo tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt.
Oxi hóa
Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa đƣợc phép sử dụng trong cấp nƣớc nhƣ Clo, KMnO4, H2O2, Ozon.
Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nƣớc chứa Asen bằng phƣơng pháp dùng điện cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nƣớc quy mô nhỏ.
Oxy quang hóa: Nhóm các nhà khoa học Ôxtrâylia đã phát minh ra công nghệ loại bỏ Asenite (As(III)) và cả các chất hòa tan khác nhƣ Sắt, Phosphorus, Sulfur,... khỏi nƣớc bằng cách đƣa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
48
tia cực tím vào nƣớc rồi sau đó lắng). Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí. Chất hấp phụ quang hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II). Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím. Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp. Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa mạnh nhƣ Cl2, H2O2 hoặc O3. Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này.
Hấp phụ
Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa: Nhôm hoạt hóa đƣợc sử dụng có hiệu quả để xử lý nƣớc có hàm lƣợng chất rắn hòa tan cao. Tuy nhiên, nếu trong nƣớc có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunffat với hàm lƣợng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ. Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 - 10 % khả năng hấp phụ. Cần hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng.
Cột lọc hấp phụ với Nhôm hoạt hóa dùng cho giếng khoan bơm tay đƣợc thiết kế bởi các nhà khoa học Ấn Độ. Các chuyên gia đã chọn Nhôm hoạt hóa làm vật liệu hấp phụ, dựa trên đặc tính lựa chọn và công suất hấp phụ cao đối với Asen, khả năng hoàn nguyên, nguồn cung cấp sẵn có và bỏ qua đƣợc yêu cầu sử dụng hóa chất. Phƣơng pháp này tƣơng đối thuận lợi, nhất là cho các vùng nông thôn nghèo. Chỉ cần đổ nƣớc giếng cần xử lý qua lớp vật liệu lọc. Thời gian làm việc của thiết bị phụ thuộc vào chất lƣợng nƣớc và hàm lƣợng sắt trong nƣớc nguồn. Hàm lƣợng sắt trong nƣớc nguồncàng cao, hiệu suất khử Asen càng cao và chu kỳ làm việc trƣớc khi hoàn nguyên càng tăng.
Hấp phụ bằng oxyt nhôm hoạt hóa: Công ty Project Earth Industries (PEI Inc.) đã chế tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ nhôm, có khả năng táchAsen ở 2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nƣớc là As (III) và As(V). Vật liệu hấp phụ này có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thƣờng khi có mặt các Ion cạnh tranh. Cƣờng độ hấp phụ nhanh, cho phép đạt hiệu suất cao, lƣợng Asen sau xử lý đạt
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
49
dƣới mức giới hạn tìm thấy của thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm. Loại vật liệu này cũng đã đƣợc thử nghiệm tính không độc hại theo tiêu chuẩn của cơ quan BVMT Mỹ và đã đƣợc thử nghiệm ở Ấn Độ và Bangladesh (1998, 1999). Thiết bị khử Asen của PEI đƣợc lắp đặt ở Lalpur, Chakdah, Tây Bengal. Với công suất 1.000 l/ngđ, thiết bị thử nghiệm cho phép giảm Asen từ giá trị trung bình ban đầu 340 ppb xuống dƣới 50 ppb (Tiêu chuẩn nƣớc uống của Bangladesh).
Hấp phụ bằng vật liệu Laterite: Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới. Thành phần chủ yếu của Laterite là các Hydroxyt Sắt và Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nƣớc của chúng, và một lƣợng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan. Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dƣơng, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm nhƣ Asenic. Có thể đƣa laterite trực tiếp vào nƣớc cần xử lý nhƣ chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc. Tại Ấn Độ, ngƣời ta đã nghiên cứu thực nghiệm để xử lý Asenic với nồng độ cao trong nƣớc ngầm bằng laterite theo tỷ lệ 5 g laterite/100 ml nƣớc. Hiệu suất xử lý đạt 50 - 90 %. Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý laterite trƣớc bằng dung dịch HNO3 0,01 M.
Ngoài ra, còn nhiều vật liệu hấp phụ khác đã và đang đƣợc nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ Asen trong nƣớc ngầm.
Sử dụng viên sắt có chứa Clo: Khi đƣa những viên sắt vào trong nƣớc, Clo có tác dụng làm chất oxy hóa, chuyển As(III) thành As(V). Sau đó As(V) sẽ bị hấp phụ lên các bông Hydroxyt Sắt đã tạo thành. Sau đó khuấy trộn, để lắng rồi gạn nƣớc trong hoặc lọc qua ống lọc. Cặn lắng chứa Asen đƣợc thải ra bãi phế thải. Asen ở đây chuyển hóa sang thể bay hơi AsH3và khuếch tán vào không khí.
So sánh hiệu quả khử Asen bằng thiết bị keo tụ - lắng (Jar Test) với 3 loại phèn keo tụ khác nhau: FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3. Kết quả cho thấy FeCl3 cho phép đạt hiệu suất khử Asen cao nhất: hơn 90 %.
Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát: Công nghệ này do các chuyên gia Trƣờng ĐHTH Connecticut, Mỹ đƣa ra. Ngƣời ta sử dụng cột lọc với vật liệu hấp phụ bằng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
50
mặt sắt trộn lẫn với cát thạch anh. Nƣớc ngầm đƣợc trộn lẫn với Sulfat Bari và lọc qua cột lọc. Mạt sắt là các Ion sắt hóa trị 0, khử Asen vô cơ thành dạng kết tủa cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với sulfat tạo PyritAsen. Phƣơng pháp này có thể đƣợc áp dụng để lắp đặt một thiết bị xử lý nƣớc riêng biệt, hay lắp đặt nhƣ một chi tiết trong thiết bị xử lý nƣớc giếng khoan. Asen trong nƣớc sau xử lý đạt dƣới 27 mg/l.
Hydroxyt sắt: Hydroxyt sắt dạng hạt đƣợc sử dụng trong cột hấp phụ. Công nghệ này kết hợp những ƣu điểm của phƣơng pháp keo tụ - lọc, có hiệu suất xử lý cao và lƣợng cặn sinh ra ít, với phƣơng pháp nhôm hoạt hóa, có ƣu điểm là đơn giản. Hạt Hydroxit sắt đƣợc sản xuất từ dung dịch FeCl3 bằng cách cho phản ứng với dung dịch NaOH. Kết tủa tạo thành đƣợc rửa sạch, tách nƣớc bằng quay ly tâm và tạo hạt dƣới áp suất cao. Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao. Nồng độ Asen trong nƣớc trƣớc xử lý 100 - 180 mg/l, sau xử lý đạt < 10 mg/l.
Kết hợp phƣơng pháp oxi hóa, hấp phụ - lọc với trồng cây hay oxi hóa với lọc cát và trồng cây. Một số loài thực vật nhƣ thủy trúc (CyperusAlternifolius hay cây Thaliadealbata) hoặc khoai nƣớc ColocasiaEsculenta cũng cho hiệu suất loại bỏ Asen khỏi nƣớc.
Trao đổi Ion
Đây là quá trình trao đổi giữa các ion trong pha rắn và pha lỏng, mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn. Có thể loại bỏ các ion Asenat (As (V)) trong nƣớc bằng phƣơng pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-). Loại vật liệu trao đổi ion này có ƣu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Asen. Nồng độ Asen sau xử lý có thể hạ thấp tới dƣới 2 ppb. Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tƣơng đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ.
Công nghệ lọc
Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc là cát: Asen đƣợc loại bỏ khỏi nƣớc trong bể lọc cát là nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
51
gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát. Fe(II) ở dạng hòa tan trong nƣớc, sẽ bị oxi hóa bởi oxi của không khí để tạo thành Fe(III). Hidroxit Fe(III) sẽ đƣợc hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng. Asen (V) và Asen(III) trong nƣớc sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc. Kết quả, nƣớc ra khỏi bể lọc đã đƣợc giải phóng khỏi sắt và Asen.
Công nghệ lọc màng: Sử dụng các màng bán thấm, chỉ cho phép nƣớc và một số chất hòa tan đi qua, để làm sạch nƣớc. Công nghệ lọc màngcho phép có thể tách bất cứ loại chất rắn hòa tan nào ra khỏi nƣớc, kể cả Asen. Tuy nhiên, phƣơng pháp này thƣờng rất đắt và do đó thƣờng đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng các phƣơng pháp khác nhƣ khử muối, loại bỏ một số ion nhƣ Asen... Có nhiều loại màng lọc đƣợc sử dụng nhƣ vi lọc, thẩm thấu ngƣợc, điện thẩm tách, siêu lọc và lọc nano.
Hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào chất lƣợng nƣớc nguồn và yêu cầu chất lƣợng nƣớc sau xử lý. Thông thƣờng, nếu nƣớc nguồn càng bị ô nhiễm, yêu cầu chất lƣợng nƣớc sau xử lý càng cao, thì màng lọc càng dễ bị tắc bởi các tạp chất bẩn, cặn lắng và cặn sinh vật (tảo, rêu, vi sinh vật ...).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
SVTH: Phan Văn Trƣờng GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam
52
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU