CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3 Một số nghiên cứu xử lý asen trong nƣớc ngầm đang áp dụng tại Việt Nam
1.3.2 Kết hợp kết tủa – lắng – lọc tự nhiên
Cộng kết tủa - lắng - lọc đồng thời với q trình xử lý sắt 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 thống để oxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa. As (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. Công nghệ này chủ yếu để xử lý sắt và mangan và đồng thời cho phép loại bỏ 50 - 80% asen có trong nƣớc ngầm.
Lê Đình Minh (2004) [17], đã nghiên cứu phân tích và xử lý asen trong nƣớc giếng khoan và đƣa ra một hệ xử lý quy mơ hộ gia đình, chủ yếu để lọc asen và mangan. Nguyên tắc là sử dụng quặng mangan để kết tủa asen (V) dƣới dạng Mn3(AsO4)2. Sau thời gian sử dụng, hàng năm phải bổ sung cát đen đã hoạt hóa thành cát chuyên dụng vào cột.
Đặng Ngọc Chánh và công sự (2012) [5] đã nghiên cứu và lắp đặt hệ thống xử lý asen tại xã Tân Long, huyện Thanh Bình, tỉnh Đồng Tháp. Nƣớc ngầm tại khu vực có hàm lƣợng asen là 453 µg/l, hàm lƣợng sắt tổng số là 4,29 mg/l. Mơ hình xử lý này đã sử dụng phƣơng pháp oxy hoá kết hợp keo tụ tủa bông, lắng lọc. Hiệu quả cho thấy hệ thống đã xử lý đƣợc asen ra khỏi nƣớc ngầm, với chi phí khoảng 2.612 đồng/m3 nƣớc.
1.3.3 Làm mềm nước kết hợp loại bỏ asen bằng vôi
Đây là phƣơng pháp sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2) để loại bỏ asen. Hiệu suất loại bỏ asen chỉ đạt khoảng 40 - 70 %. Phƣơng pháp này đạt hiệu suất cao với pH trên 10,5 cho As (V) và 11 cho As (III), với nồng độ asen ban đầu khoảng 50 µg/l. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ một phƣơng pháp kết hợp để đồng thời loại bỏ asen và làm mềm nƣớc. Một hạn chế của phƣơng pháp sử dụng vôi là tạo ra một lƣợng cặn lớn sau xử lý [12].
1.3.4 Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là quá trình tập hợp các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của một chất lên bề mặt phân chia pha. Bề mặt phân chia pha có thể là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn.
Trên thế giới đã có các nghiên cứu về khả năng hấp phụ nhiều vật liệu tự nhiên nhƣ: các khoáng chất trong tự nhiên nhƣ canh lanh, zeolit, laterite các vật liệu tổng hợp nhƣ các dạng mangan oxit, sắt hydroxit,… Tại Việt Nam cũng đã có nhiều cơng trình cơng bố về nghiên cứu và đánh giá, ứng dụng các vật liệu hấp phụ để loại bỏ asen trong nƣớc. Nhiều nghiên cứu về hấp phụ asen trong nƣớc bằng các vật liệu tự nhiên và vật liệu tổng hợp giàu sắt, mangan… đã cho kết quả tốt ở quy mơ phịng thí nghiệm và một số nghiên cứu áp dụng ở ngoài thực tế.
Cơ chế xử lý asen bởi sắt hydroxit:
Hyđroxit sắt (III) đƣợc chế tạo và sử dụng để loại asen khỏi nƣớc dƣới các dạng các hạt hyđroxit sắt (III), hoặc các hạt chất hấp phụ đƣợc tạo nên từ 2 oxit của Fe-Si, Fe-Al, hoặc đồng kết tủa asen với sắt (III) clorua bằng NaOH. Ngoài các vật liệu nhân tạo, ngƣời ta cịn sử dụng các khống chất của sắt đã đƣợc biến tính để hấp phụ asen. Trong số đó, limonit và laterit là 2 loại khống có khả năng hấp phụ asen khá cao thƣờng đƣợc nghiên cứu sử dụng với tải trọng hấp phụ cực đại asen (V) của laterit là 6 mg/g [41].
Dƣới đây là các phản ứng có thể xảy ra giữa các hợp chất asen (III), asen (V) và sắt hyđroxit (kí hiệu (≡FeOH) là vị trí của sắt (III) hyđroxit trên bề mặt vật liệu).
≡FeOH + AsO43- + 3H+ ↔ ≡FeH2AsO4 + H2O ≡FeOH + AsO43- + 2H+ ↔ ≡FeHAsO4-(s) + H2O
≡FeOH + AsO43-
+ H+ ↔ ≡FeAsO42- + H2O ≡FeOH + AsO33- + 3H+ ↔ ≡FeH2AsO3 + H2O ≡FeOH + AsO33-
+ 2H+ ↔ ≡FeHAsO3- + H2O
Các phƣơng pháp xử lý ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm đã và đang đƣợc nghiên cứu, sử dụng và đƣợc coi là phù hợp với điều kiện Việt Nam đều có những ƣu nhƣợc điểm riêng. Tổng hợp ở bảng 1.2 cho thấy một số công nghệ đã đƣợc áp
dụng ở Việt Nam để xử lý asen trong nguồn nƣớc ngầm và các ƣu nhƣợc điểm của chúng.
Bảng 1.2. So sánh một số công nghệ xử lý asen trong nước ngầm
Công nghệ xử lý
Ƣu điểm Nhƣợc điểm
Oxi hóa/ Kết tủa
Oxi hóa bằng oxi khơng khí
Đơn giản, chi phí thấp nhƣng tốc độ phản ứng chậm, xử lý cục bộ, đồng thời với q trình oxi hóa các thành phần hữu cơ và vô cơ khác trong nƣơc.
Chủ yếu chỉ loại bỏ As(V) và thúc đẩy quá trình oxi hóa.
Oxi hóa hóa học
Oxi hóa các tạp chất và diệt vi khuẩn, tƣơng đối đơn giản và tốc độ phản ứng nhanh. Cần phải điều chỉnh pH và cả q trình oxi hóa. Keo tụ kết hợp với lắng Keo tụ bằng nhơm
Hóa chất dễ mua, chi phí tƣơng đối thấp và đơn giản trong vận hành, hiệu quả ở khoảng pH rộng.
Phát sinh bùn độc hại, hiệu quả loại bỏ As thấp, cần q trình tiền oxi hóa.
Keo tụ bằng sắt
Hóa chất dễ mua hiệu quả hơn so với nhôm .
Hiệu quả loại bỏ As (III) không cao, cần thêm q trình lắng và lọc.
Mềm hóa bằng vơi
Hóa chất sẵn có. Cần điều chỉnh pH.
Hấp phụ và trao đổi ion
Nhơm hoạt hóa
Tƣơng đối tốt và hóa chất dễ mua. Cần thay thế sau 4- 5 lần tái sinh.
sắt loại bỏ cả As(III) và As (V). Nhựa trao
đổi ion
Dung lƣợng trao đổi khá tốt, không phụ thuộc pH.
Chi phí cao, yêu cầu về hoạt động và bảo trì, phát sinh bùn khó xử lý, khó loại bỏ đƣợc As (III).
Các công nghệ lọc
Lọc nano Hiệu quả cao Vốn đầu tƣ và hoạt động rất
cao. RO Không phát sinh chất thải rắn độc
hại.
Địi hỏi trình độ vận hành và duy trì cao.
Điện phân Có thể loại bỏ thêm 1 số chất ô nhiễm khác.
Phát sinh nƣớc thải độc hại.
Từ bảng so sánh có thể nhận thấy với các phƣơng pháp xử lý nêu trên thì hấp phụ là phƣơng pháp kinh tế hơn hẳn, việc xử lý dễ dàng và an tồn. Cùng với những lợi ích ƣu điểm của xử lý nƣớc cấp quy mơ phân tán thì hệ thống xử lý nƣớc ngầm thành nƣớc ăn uống bằng một số cơng nghệ chi phí thấp với quy mơ phân tán là một giải pháp hiệu quả và hoàn toàn phù hợp với đặc điểm nguồn nƣớc ngầm và các điều kiện tại các vùng nơng thơn, vùng sâu vùng xa, vùng núi khó khăn hay ngay cả với các khu vực ngoại thành chƣa đƣợc tiếp cận với nguồn nƣớc cấp tập trung của thành phố ở Việt Nam.
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Đối tƣợng nghiên cứu
- Mơ hình hệ thống xử lý nƣớc nhiễm asen quy mơ phịng thí nghiệm. - Hệ thống xử lý loại bỏ asen trong nƣớc ngầm tại hai địa điểm lắp đặt.
2.2 Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá tính chất nguồn nƣớc ngầm tại xã Hồng Thái và lựa chọn 2 địa điểm lắp đặt hệ thống xử lý;
- Đánh giá hiệu quả xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm; - Thiết kế và lắp đặt 2 hệ thống xử lý asen trong nƣớc ngầm quy mô phân tán, tối ƣu các thông số vận hành;
- Đánh giá hiệu quả xử lý của 2 hệ thống xử lý quy mô phân tán; - Đánh giá hiệu quả kinh tế của 2 hệ thống nêu trên.
2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp thu thập, kế thừa và tổng quan tài liệu
Thu thập, kế thừa và hệ thống hóa các tài liệu, số liệu, luận văn liên quan đến đề tài nghiên cứu bao gồm các thơng tin tình hình ơ nhiễm asen, sử dụng nghiên cứu về vật liệu hấp phụ asen có nguồn gốc từ quặng sắt oxit và các chất phụ gia.
Tham khảo tài liệu, liên hệ địa phƣơng nơi lắp đặt hệ thống xử lý phục vụ nghiên cứu, thu thập tài liệu thứ cấp. Kế thừa các kết quả đã có trong nƣớc và trên thế giới.
2.3.2 Khảo sát điều tra thực địa
Các xã Thụy Phú, Hồng Thái, Nam Phong, Văn Nhân, Nam Triều là nơi có tình trạng ơ nhiễm asen trong nƣớc ngầm nặng nhất của huyện Phú Xuyên. Xã Hồng Thái nằm về phía đơng của trung tâm huyện Phú Xuyên, dọc theo tuyến đê hữu sơng Hồng, phía Nam giáp xã Khai Thái, phía Đơng giáp Sơng Hồng, phía Tây giáp xã Nam Triều, phía Bắc giáp xã Thụy Phú, bản đồ địa chính xã đƣợc thể hiện trên hình 2.3. Diện tích tự nhiên của xã Hồng Thái là 856 ha, đƣợc phân chia thành 3 thôn: Duyên Yết, Duyên Trang và Lạt Dƣơng. Dân số hiện nay trên địa bàn xã hơn 8.000 ngƣời, sinh sống đều ở cả 3 thơn.
Hình 2.1. Bản đồ địa chính xã Hồng Thái
Dự án cấp nƣớc sạch qua các xã tại huyện Phú Xuyên là một trong 6 dự án cấp nƣớc sạch liên xã tại các vùng có nguồn nƣớc bị ơ nhiễm nặng đƣợc thành phố Hà Nội ƣu tiên thực hiện, nhƣng đến nay vẫn chƣa hoạt động. Kết quả khảo sát cho thấy, các thôn Duyên Yết và Lạt Dƣơng của xã Hồng Thái bị ô nhiễm asen rất nặng với nồng độ dao động trong khoảng 200-500 µg/l. Do đó, những hệ thống xử lý nƣớc phân tán là rất cần thiết để đảm bảo sức khỏe của ngƣời dân.
Do đặc thù địa bàn rộng, Trƣờng mầm non xã Hồng Thái có tất cả 6 điểm trƣờng, trong đó có 3 điểm trƣờng thuộc 2 thôn Duyên Yết và Lạt Dƣơng bị ô nhiễm asen. Vì vậy việc lựa chọn điểm trƣờng mầm non xóm 6 (thơn Lạt Dƣơng) và điểm trƣờng mầm non xóm Trại (thơn Dun Yết) là phù hợp. Đây là hai điểm trƣờng khó khăn nhất về vấn đề nƣớc sạch so với các điểm trƣờng khác trong xã. Hiện tại điểm trƣờng xóm 6 có 76 cháu (thuộc 3 lớp) và 7 giáo viên, điểm trƣờng xóm Trại có 42 cháu và 3 giáo viên (thuộc 2 lớp), tuy nhiên toàn bộ nƣớc cung cấp cho quá trình nấu nƣớng phục vụ các bữa ăn trong ngày cho các cháu đều phải phụ thuộc vào điểm trƣờng chính tại thơn Dun Trang, cịn nƣớc uống phục vụ các cháu là nƣớc đóng bình cũng đƣợc trƣờng chính đặt mua và vận chuyển xuống các điểm trƣờng. Các hoạt động khác nhƣ tắm giặt hay vệ sinh cá nhân của các cháu mầm non đều từ nƣớc ngầm bơm trực tiếp mà không qua bất kỳ một hệ thống xử lý nào.
Dựa theo kết quả phân tích mẫu nƣớc 1218 cơng trình cấp nƣớc nhỏ lẻ quy mơ hộ gia đình nơng thơn Hà Nội năm 2016 của Trung tâm quốc gia nƣớc sạch và vệ sinh môi trƣờng nông thôn, tôi tiến hành khảo sát phỏng vấn nhanh về tình hình sử dụng nƣớc ngầm của 50 hộ gia đình trong tồn xã và lấy mẫu nƣớc ngầm tại tất cả các điểm trƣờng mầm non, nhà văn hóa và một số hộ dân tại các thơn để phân tích.
2.3.3 Phương pháp chế tạo vật liệu giàu sắt hấp phụ asen
Kế thừa nghiên cứu của tác giả Phạm Hoàng Giang và các cộng sự (2017) [42] hai loại vật liệu đƣợc chế tạo theo các bƣớc nhƣ sau.
Bước 1: Cân và phối trộn vật liệu:
Cân chính xác các thành phần theo các 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 asen theo bảng 2.1, trong đó, phụ gia 1 và 2 là 2 loại đất khoáng sét để tạo độ kết dính và độ xốp của vật liệu và giúp vật liệu có tính bền sau nung.
Bảng 2.1. Bảng tỷ lệ phối trộn vật liệu (theo % khối lượng)
Vật liệu Quặng sắt Sắt (III) hydroxit Nhôm hydroxit Chất phụ gia 1 Chất phụ gia 2 Cao lanh H1 40% 10% 7,5% 18,5% 24% O1 40% 10% 7,5% 18,5% 24%
(O1- Vật liệu chế tạo từ quặng sắt oxit; H1- Vật liệu chế tạo từ hydroxit sắt (III))
Hydroxyt sắt III Quặng sắt oxit
Trong đó quặng sắt oxit đƣợc nhập từ nhà máy sản xuất sắt xốp Mirec Cao Bằng, đƣợc nghiền nhỏ và rây qua rây có kích thƣớc lỗ 200 mesh (0,074 mm). Sắt (III) hydroxyt công nghiệp nhập từ công ty trách nhiệm hữu hạn thƣơng mại dịch vụ Phƣớc Tƣờng. Cao lanh có nguồn gốc từ Bát Tràng, Hà Nội. Hai chất phụ gia là hai loại đất sét đƣợc khai thác tại An Lão, Hải Phịng và Thanh Hóa. Các ngun liệu gồm cao lanh và hai chất phụ gia đƣợc phơi khơ, nghiền nhỏ và sang qua rây kích thƣớc lỗ 0,5 x 0,5 mm.
Bước 2: Tạo viên vật liệu:
Sử dụng máy dập viên để tạo vật liệu viên có đƣờng kính 1 cm, chiều dài từ 1 – 1,5 cm. Vật liệu sau ép viên để khô tự nhiên hoặc sấy ở 50o
C trong 24 h. Viên sau khi ép cần có độ chắc, khơng có hiện tƣợng nứt hoặc quá giòn (do thiếu độ ẩm).
Bước 3: Nung vật liệu:
Tăng nhiệt từ từ từ 25o
C đến 300oC với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút và giữ nhiệt độ này trong 30 phút, sau đó tiếp tục tăng nhiệt độ lên 500oC với tốc độ gia nhiệt là 2,5oC/phút và giữ nhiệt độ nung trong 10 tiếng.
Trong quá trình nung chú ý cần đƣợc thốt khí trong suốt giai đoạn, cũng nhƣ tuân thủ đúng các bƣớc gia nhiệt, đảm bảo cho vật liệu không giãn nở đột ngột gây nứt vỡ hay không đảm bảo yêu cầu.
Bước 4: Ổn định kích thước vật liệu:
Vật liệu sau khi nung để nguội tự nhiên trong lò tránh sốc nhiệt gây nứt vỡ viên vật liệu sau nung. Sau khi mang vật liệu ra khỏi lò, loại bỏ các viên vật liệu vỡ, nứt, khơng đảm bảo u cầu về kích thƣớc cũng nhƣ yêu cầu kĩ thuật.
Vật liệu O1 Vật liệu H1
Một số đặc điểm của hai loại vật liệu hấp phụ H1 và O1 đã đƣợc khảo sát: độ xốp 20 – 25%, khối lƣợng riêng 1,1 – 1,6 g/cm3, dung lƣợng hấp phụ tĩnh cực đại đối với asen lớn hơn 30 mg/g với cả 2 loại vật liệu [42]. Ảnh chụp SEM và XRD của vật liệu H1 và O1 đƣợc trình bày ở phụ lục cho thấy bề mặt thành phần của 2 loại vật liệu. Ảnh chụp SEM cho thấy vật liệu H1 và O1 có các hốc lớn xen kẽ với các thành, các thành đƣợc cấu tạo bởi các tầng xếp chồng lên nhau bởi các tấm dài. Các tấm có bề mặt nhám, kích thƣớc và có diện tích bề mặt gần nhƣ nhau. Đặc điểm bề mặt này cho thấy hai loại vật liệu này có độ xốp cao, và có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn [42].
2.3.4 Đánh giá hiệu quả xử lý asen của mơ hình xử lý quy mơ phịng thí nghiệm
a. Ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả hấp phụ của hai loại vật liệu
Lƣợng vật liệu sử dụng là 5 g trong 50 ml dung dịch asen (V) nồng độ 500 µg/l. Mặc dù asen trong nƣớc ngầm tồn tại dƣới dạng asen (III), asen (V), asen hữu cơ nhƣng thí nghiệm sử dụng asen (V) để tiến hành khảo sát bởi lý do ở giai đoạn sục khí cƣỡng bức phần lớn asen trong nƣớc ngầm bị oxi hóa thành asen (V). Quá trình hấp phụ của vật liệu đƣợc khảo sát ở pH từ 2 đến 10. Điều chỉnh pH của dung dịch hấp phụ bằng các dung dịch 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 là 45ml và hút 5ml asen (V) 5 mg/l và 5 g vật liệu dạng viên cho vào bình tam giác 100 ml. Tiến hành đo pH và sau đó lắc các bình tam giác với tốc độ 150 vòng/phút trong 2 giờ. Tiếp theo tiến hành lọc dung dịch bằng giấy lọc và thu dung dịch đã lọc để tiến hành phân tích nồng độ asen sau khi hấp phụ. Từ kết quả đó, xác định đƣợc pH tối ƣu để hấp phụ asen của vật liệu dạng viên để đánh giá hai loại vật