CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.5. Chất lượng nước và hiện trạng cấp nước của làng Cự Đà, Hà Nội
Huyện Thanh Oai là một huyện bị ô nhiễm As nặng, theo khảo sát của Trung tâm Quốc gia nước sạch và vệ sinh an tồn nơng thơn năm 2016, trong 2864 mẫu, có 46,46% vượt mức nồng độ As cho phép (≥ 50ppb), trong đó có 16,13% tương đương 462 mẫu có nồng độ As lớn hơn 100 ppb. Trong đó, điển hình với các xã Cự Khê cùng với Xuân Dương và Cao Dương là các xã có tỉ lệ nhiễm asen trong nước ngầm vượt mức cho phép rất cao (đều lớn hơn 80%), trong đó hầu hết các mẫu được lấy đều có hàm lượng asen vượt quá giới hạn cho phép của nước sinh hoạt theo QCVN 02: 2009/BYT, và có trên 50% các mẫu được lấy có lượng As lớn hơn 100ppb.
Làng Cự Đà nằm ở phía Đơng của xã Cự Khê, phía Bắc giáp xã Hữu Hịa, huyện Thanh Trì, Hà Nội; phía Đơng giáp sơng Nhuệ và xã Tả Thanh Oai. Làng nghề Cự Đà hiện có gần 450 hộ gia đình với 1600 nhân khẩu, ngồi việc sản xuất nơng nghiệp ra thì có tới 150 hộ sản xuất miến dong (sản lượng 1000 kg/ngày/hộ) và 100 hộ làm tương gạo nếp Cự Đà (150 lít/ngày/hộ).
Với vị trí địa lý của xã hiện nay, nước thải của các nhà máy sơn Hà Nội, khu dân cư Đại Từ, Linh Đàm, …, nước thải sinh hoạt của Hà Nội hàng ngày chảy vào sông Nhuệ, đi qua xã Cự Đà đã gây ô nhiễm nghiêm trọng cho khu vực này trong nhiều năm qua. Các kết quả điều tra khảo sát đều cho thấy các mẫu nước ở Cự Đà hầu hết đều vượt
quá ngưỡng cho phép theo QCVN 01: 2009 và QCVN 02:2009 của Bộ Y Tế. Vấn đề này nếu không được giải quyết sớm, không những ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và hoạt động sản xuất của người dân trong vùng mà còn gây mất làng nghề Cự Đà.
Hiện nay, tuy đã có một nhà máy nước tại xã Cự Khê, tuy nhiên không đủ cung cấp cho tồn xã. Các hộ gia đình trong xã vẫn sử dụng nguồn nước từ các giếng khoan thủ công, nhỏ, sâu khoảng 20 – 30 mét trong khn viên gia đình. Nước bơm lên sử dụng ngay để tưới cây hoặc vệ sinh nhà cửa, hoặc chỉ được xử lý theo cách đơn giản: lọc qua 1 bể có lớp cát vàng, đá xanh hoặc sỏi rồi đưa ngay vào bể để sử dụng.
Hình 1.11: Bản đồ địa chính xã Cự Đà
Nguồn nước từ quá trình tự xử lý của người dân chưa đảm bảo cho sử dụng trong ăn uống và chế biến thực phẩm của làng nghề Cự Đà, gây lo lắng cho cư dân nơi đây. Vấn đề này cần sớm được giải quyết nếu không sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và hoạt động sản xuất cũng như sinh hoạt của người dân, đồng thời gây mất an toàn thực phẩn cho những người tiêu dùng đang sử dụng sản phẩm của làng nghề Cự Đà.
Mầm non xã Cự Khê, thuộc thôn Khúc Thủy, là một trong các cơng trình cơng cộng của xã, với hơn 200 học sinh và 30 giáo viên đang học tập và công tác. Nguồn nước sử dụng chính tại đây vẫn là nước từ các giếng khoan sau khi tự xử lý, tuy nhiên phần lớn không đạt theo cả 2 quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT về chỉ tiêu asen. Hiện tai, nguồn nước ăn uống tại trường là các bình nước lọc thương phẩm trên thị trường, rất tốn kém trong sử dụng, và vận chuyển; ngồi ra, nước sau xử lý khơng đạt quy chuẩn còn được sử dụng để tưới rau và phục vụ một số sinh hoạt khác của cán bộ và học sinh trong trường, điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của các học sinh, có thể gây nhiễm độc asen mãn tính.
Hình 1.12: Vị trí trường mầm non Cự Khê
Từ tình hình thực tiễn này, việc triển khai thử nghiệm hệ xử lý nước tập trung cho các hộ gia đình, với mục đích nhằm cung cấp đủ nước sạch đạt tiêu chuẩn phục vụ cho sinh hoạt và học tập của học sinh và giáo viên trường mầm non Cự Khê, cũng như phục vụ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của làng nghề là vấn đề cấp thiết đáp ứng nguyện vọng và yêu cầu thực tế hiện nay của lãnh đạo và nhân dân trong xã Cự Khê,
sau đó có thể nhân rộng ra để áp dụng xử lý cho các khu vực bị ơ nhiễm As trên tồn địa bàn Hà Nội.
1.6. Tổng quan bùn đỏ từ q trình sản xuất nhơm
1.6.1. Cơng nghệ thải bùn đỏ và đặc tính của bùn đỏ
Bùn đỏ là bã thải của q trình sản xuất nhơm từ quặng bauxit theo phương pháp Bayer. Do tính kiềm cao và lượng bùn thải lớn, bùn đỏ sẽ là tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được quản lý tốt. Bùn đỏ bao gồm các thành phần chính như: hematit, natri-silicat, natri-alumosilicat, canxi-titanat, monohydrate nhôm,… và một lượng xút dư thừa do quá trình hịa tan và tách quặng bauxit.
Theo dự án ATF–06–03 (2006-2011) về cơ sở dữ liệu bùn đỏ và hồ chứa bùn đỏ (Bauxite Residue and Disposal Database – BraDD, [49]) do 7 nước hợp tác tiến hành, bao gồm Mỹ, Canada, Úc, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản, Hàn Quốc mới công bố vào tháng 12 năm 2008 cho thấy [49]: Trên thế giới hiện nay có khoảng 73 nhà máy sản xuất Alumina phân bố ở các châu lục trên thế giới, trong đó: 1 ở Guine (Châu Phi); 3 ở Canada, 5 ở Mỹ (Bắc Mỹ); 6 ở Brazil, 4 ở Jamaica, 1 ở Suriname, 1 ở Venezuela (Nam Mỹ); 5 ở Trung Quốc, 3 ở Nhật bản, 8 ở Ấn Độ, 1 ở Khazakhstan, 1 ở Thổ Nhĩ Kỳ, 1 ở Iran (Châu Á); 4 ở Pháp, 2 ở Đức, 1 ở Hy Lạp, 1 ở Ireland, 1 ở Ý, 1 ở Tây ban Nha (Tây Âu); 7 ở Nga, 2 ở Ukraina, 1 ở Montenegro, 2 ở Hungary, 1 ở Bosnia Herzegovina, 1 ở Romania, 1 ở Slovakia (Đông và Trung Âu); 7 ở Úc, 1 ở Bahrain (Châu Đại dương) đều sử dụng cả 2 phương pháp thải bùn đỏ là thải khơ và thải ướt, trong đó khoảng 20 nhà máy Alumina (chiếm 27%) áp dụng thải khô, chủ yếu tập trung ở châu Âu và Úc; còn khoảng 53 nhà máy Alumina (chiếm 73%) áp dụng thải ướt, chủ yếu tập trung ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển trong đó có cả dự án đang được tiến hành tại Việt Nam.
Thải bùn đỏ trên đất có 2 phương pháp là thải khơ hoặc thải ướt:
- Thải khô là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn rất cao, tiết kiệm diện tích nhưng tốn kém và phức tạp hơn, thích hợp với những vùng có lượng bốc lớn
- Thải ướt là bơm bùn ra bãi thải với hàm lượng chất rắn thấp hơn, đỡ tốn kém, thích hợp với các vùng có các thung lũng dễ tạo thành hồ chứa.
Theo tính tốn của nhà thầu Chalieco-Trung Quốc: Với Dự án Nhân Cơ công suất 600.000 tấn alumin/năm, lượng bùn đỏ khô sẽ là 566.000 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ (được bơm tuần hoàn về nhà máy khoảng 70%) là 610.000 tấn/năm. Với Dự án Lâm Đồng công suất 600.000 tấn alumin/năm, lượng bùn đỏ khô sẽ là 636.720 tấn/năm, dung dịch bám theo bùn đỏ (được bơm tuần hoàn về nhà máy khoảng 70%) là 687.720 tấn/năm. Cả 2 nhà máy Nhân Cơ và Lâm Đồng lượng bùn đỏ thải ra khoảng 1,2- 1,3 triệu tấn/năm.
1.6.2. Thành phần và tính chất của bùn đỏ
Thực chất bùn đỏ là cặn (các thành phần có trong bauxit) khơng hồ tan trong kiềm và thu được trong quá trình hoà tách bauxit với dung dịch kiềm NaOH. Thành phần khoáng vật của bùn đỏ là các ôxyt - chủ yếu là ôxyt sắt nên có màu đỏ, các hợp chất mới tạo thành như Na-Aluminium-Hydrosilicat, Ca- Aluminium-Hydrosilicat... Do chúng có liên kết hố học với kiềm (hoặc kiềm bám theo) nên bùn đỏ có độ bám dính rất lớn (nhất là sau khi nó đã lắng tốt hoặc đã khơ) đặc tính lý-hố của bùn đỏ khơng như bùn đất thơng thường. Mặt khác khi thải bùn đỏ ở dạng ướt sẽ có 54,4% chất thải ở dạng lỏng, chủ yếu là NaOH còn dư, muối Aluminat và nước. Pha rắn chiếm 45,6% có thành phần chủ yếu là oxit kim loại.
Do trong thành phần bùn đỏ có chứa nhiều loại oxit khác nhau nên điện tích bề mặt phụ thuộc vào loại oxit có trong thành phần, dựa vào đặc điểm đó xác định điểm đẳng điện của bùn đỏ có pH = 8,5.
Thành phần bùn đỏ là những hạt tạp chất rất nhỏ do bauxit đã được nghiền trước khi đem xử lý với natri hydroxide nên nó có khả năng thẩm thấu rất cao. Tất cả các chất trên dù tồn tại dưới dạng ướt hay bụi đều ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe con người nếu tiếp xúc với nó.
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu giàu sắt hấp phụ asen có nguồn gốc từ bùn đỏ nhân tạo, sắt oxit và một số phụ gia khác.
Mơ hình xử lý loại bỏ asen trong nước ngầm quy mô 5m3/ngày đặt tại thôn Khúc Thủy, làng Cự Đà, Cự Khê, huyện Thanh Oai, Hà Nội.
Nước ngầm có nhiễm As tại địa điểm đặt mơ hình.
2.2. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ asen có nguồn gốc từ các vật liệu giàu sắt như bùn đỏ, sắt oxit và một số phụ gia khác.
Đánh giá các đặc điểm của vật liệu cũng như tìm ra các điều kiện tối ưu và các thông số đặc trưng cho quá trình xử lý As.
Áp dụng thử nghiệm và đánh giá hiệu quả trên mơ hình pilot quy mơ 5m3/ngày đặt tại thôn Khúc Thủy, làng Cự Đà, Cự Khê, huyện Thanh Oai, Hà Nội để xử lý nước ngầm nhiễm asen nồng độ cao.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp
Thu thập số liệu, tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu bao gồm các thông tin đại chúng về asen, tình hình ơ nhiễm asen, phế thải giàu sắt như là bùn đỏ, bùn nhà máy nước cấp có sử dụng nước ngầm,…
Tham khảo tài liệu, liên hệ địa phương nơi nghiên cứu, thu thập tài liệu thứ cấp. Kế thừa các kết quả đã có trong nước và trên thế giới.
2.2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu hấp phụ As a) Chuẩn bị mẫu a) Chuẩn bị mẫu
Sắt (III) hydroxit được chế tạo nhằm mô phỏng thành phần sắt hydroxit trong bùn đỏ, được điều chế trong phịng thí nghiệm dựa trên phản ứng của muối FeCl3 với NaOH theo phương trình:
FeCl3 + 3 NaOH ―> Fe(OH)3 + 3 NaCl
Kết tủa được lọc, đem phơi khô trong 12h và nung ở 105oC trong 4h, sau đó nghiền nhỏ và rây qua rây có kích thước lỗ 200 mesh (0,074 mm).
Nhôm hydroxit (hàm lượng Al2O3 ≥ 64,0%) .
Cao lanh có nguồn gốc từ Bát Tràng, Hà Nội, 2 loại phụ gia 1 và phụ gia 2 là các loại đất được khai thác tại An Lão, Hải Phòng. Các phụ gia này sau khi đem về, được nghiền nhỏ, sàng qua rây có kích thước lỗ 0,5 × 0,5 mm. Sau đó sấy khơ ở 105oC trong 4 giờ.
Các bước tiến hành được thực hình theo Hình 2.1
Bước 1: Cân vật liệu
Cân chính xác các thành phần theo 2 tỉ lệ phối trộn khác nhau với thành phần chính là quặng sắt hoặc sắt (III) hydroxit để tạo thành 2 loại vật liệu hấp phụ As lần lượt là O550 và H550 theo Bảng 2.1, với các chất phụ gia 1 và 2 là các chất kết dính.
Bảng 2.1: Bảng tỷ lệ phối trộn vật liệu (theo %)
Vật liệu Quặng sắt (%) Sắt (III) hydroxit (%) Nhôm hydroxit (%) Chất phụ gia 1 (%) Chất phụ gia 2 (%) Cao lanh (%) H550 0 40 10 7,5 18,5 24 O550 40 0 10 7,5 18,5 24
(O550- Vật liệu chế tạo từ quặng sắt oxit; H550- Vật liệu chế tạo từ sắt (III) hydroxit)
Bước 2: Trộn vật liệu
Phối trộn các thành phần vật liệu theo Bảng 2.1.
Bước 3: Tạo viên vật liệu
Sử dụng máy ép viên để tạo vật liệu dạng viên có đường kính như u cầu. Vật liệu sau ép viên để khô tự nhiên hoặc 50oC trong 24 h.
Bước 4: Nung vật liệu
Tăng nhiệt từ từ từ 0oC đến 300oC với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút. Dừng lại ở 300o
C và giữ nhiệt độ này trong 30 phút. Sau đó tăng nhiệt độ đến 550o
C (nhiệt độ trong lò nung dao động 550oC ± 10oC trong một vài phút) với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút và giữ nhiệt độ này trong 10h.
Bước 5: Ổn định kích thước vật liệu.
Vật liệu sau khi nung đem đi nghiền và rây ở các kích thước lỗ khác, với mục đích tạo các viên vật liệu với kích thước theo yêu cầu của từng thí nghiệm.
2.2.3. Khảo sát pH tối ưu cho quá trình hấp phụ As của vật liệu bằng thí nghiệm mẻ
Điều chỉnh pH của dung dịch hấp phụ bằng dung dịch đệm HCl 0,02N, NaOH 0,02N và NaCl 0,02N. Hút hỗn hợp dung dịch HCl 0,02N (hoặc NaOH 0,02N) + dung dịch NaCl 0,02N có tổng thể tích 45 ml + 5 ml asen (V) 10 ppm và 1 gam vật liệu cho vào bình tam giác 250 ml. Lắc với tốc độ 150 vịng/phút trong 2 giờ, sau đó lọc dung dịch bằng giấy lọc và thu dung dịch đã lọc để tiến hành đo pH và đi phân tích nồng độ asen sau khi hấp phụ. Mẫu được gửi đi phân tích theo phương pháp ICP - MS.
Từ kết quả đó xác định được pH tối ưu để hấp phụ asen của vật liệu và chọn được pH để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo.
2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến hiệu quả hấp phụ asen trong điều kiện hấp phụ động bằng thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục điều kiện hấp phụ động bằng thí nghiệm cột hấp phụ dịng chảy liên tục
a) Thiết kế cột hấp phụ
Hệ thống cột lọc được mơ tả trong Hình 2.2:
- Cột lọc được sử dụng là ống thủy tinh có đường kính d=2cm. Chiều cao cột lọc là 35cm. Có van điều chỉnh tốc độ nước đầu ra ở dưới
- Kích thước hạt của vật liệu được ổn định và điều chỉnh đồng đều
- Cột lọc được thiết kế là hệ chảy gián đoạn tức là khi hệ khơng hoạt động chúng có thể khóa van nước đầu ra phía dưới cột, tuy nhiên không được để khô vật liệu lọc nên trong cột lúc nào cũng phải chứa nước
- Cân khối lượng vật liệu được nhồi vào trong 15 cm cột hấp phụ đã chuẩn bị - Chiều cao cột nước được giữ ổn định ở 5 cm
Hình 2.2: Mơ hình thí nghiệm cột hấp phụ
b) Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước vật liệu đến khả năng hấp phụ As
Kích thước hạt của 2 vật liệu theo nguồn gốc và kích cỡ được chia thành 3 kích cỡ: cỡ nhỏ (1÷2 mm), cỡ trung bình (3,75÷4,75 mm) và cỡ lớn (8÷9 mm). Như vậy kí hiệu của các vật liệu trong luận văn là:
O550 – S: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước nhỏ
O550 – M: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước trung bình O550 – L: Vật liệu có nguồn gốc từ oxit sắt với kích thước lớn
H550 – S: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước nhỏ
H550 – M: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước trung bình H550 – L: Vật liệu có nguồn gốc từ sắt (III) hydroxit với kích thước lớn
Chú thích:
1: Lớp vật liệu hấp phụ
2: Bông thủy tinh
3: Van điều chỉnh D: Đường kính 2cm
L1: chiều dày lớp vật liệu lọc (15cm)
Để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu hấp thụ trên 2 loại vật liệu biến tính mơ phỏng bùn đỏ với 3 kích cỡ khác nhau như Bảng trên cột hấp được chuẩn bị phụ như Hình 2.2.
Cách tiến hành:
- Chuẩn bị 6 cột hấp phụ như nhau về kích thước và các thông số như phần thiết kế hệ thống đã nêu gắn lên giá đỡ chắc chắn tại phịng thí nghiệm bộ mơn cơng nghệ mơi trường.
- Cân vật liệu tương ứng với chiều cao 15 cm bằng cân phân tích.
- Vật liệu được sấy khô tại 105oC trong 2h trước khi được đưa vào cột hấp phụ. - Pha dung dịch As (V) với nồng độ 1 ppm, điều chỉnh pH tối ưu cho mỗi loại vật
liệu như kết quả của nghiên cứu khảo sát pH tối ưu. - Cho chảy đều qua cột với tốc độ 2 ml/phút.