Bài giảng Công nghệ xử lý nước: Xử lý chất đặc biệt trong nước

C«ng nghÖ xö lý n−íc

1. Giíi thiÖu vÒ Asen

(cid:1) Asen lµ nguyªn tè h×nh thµnh tù nhiªn trong vá Tr¸i ®Êt. (cid:1) C¸c hîp chÊt asen v« c¬:

xö lý c¸c chÊt ®Æc biÖt trong n−íc

Xö lý Asen Xö lý Asen

-, HAsO4

3-.

- Arsenat (As(V), arsenite (As(III), arsenic sulfide (HAsS2), asen nguyªn tè (As0) vµ asen ë d¹ng khÝ Arsine AsH3 (As(- III)). - C¸c hîp chÊt Arsenate (As(V): H3AsO4, H2AsO4 , AsO4 - C¸c hîp chÊt Arsenite (As(III): C¸c hîp chÊt asen v« c¬ bÞ -, HAsO3 khö, nh− H3AsO3, H2AsO3

2-, AsO3

(cid:1) C¸c hîp chÊt asen h÷u c¬: (CH3)2AsO(OH),

C6H5AsO(OH)2, vv...

(cid:1) C¸c d¹ng hîp chÊt h÷u c¬ cña asen th−êng Ýt ®éc h¬n so

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh ViÖn Khoa häc vµ Kü thuËt M«i tr−êng, Tr−êng ®¹i häc X©y dùng

víi c¸c hîp chÊt asen v« c¬.

Giíi thiÖu vÒ Asen

Nång ®é c¸c hîp chÊt Arsenat As(IV) trong n−íc ngÇm phô thuéc vµp pH

(cid:1) Trong MT khö (trong lßng ®Êt):

VK kþ khÝ (Methanogenic bacteria) khö As(V) sang As (III) vµ Metyl ho¸ chóng, t¹o nªn Methylarsenic acid CH3AsO(OH)2 hay Dimethyl Arsenic Acid (cacodylic) (CH3)2AsO(OH). Nh÷ng chÊt nµy cã thÓ ®−îc Methyl ho¸ tiÕp t¹o Trimethylarsine bay h¬i rÊt ®éc vµ Dimethylarsine (III) rÊt ®éc.

C«ng dông:

(cid:2) S¶n xuÊt thuèc trõ s©u, diÖt cá (c¶ asen h÷u c¬ vµ (cid:1) Asen tån t¹i phæ biÕn trong m«i tr−êng xung quanh, vµ mäi ng−êi ®Òu tiÕp xóc víi mét l−îng nhá cña chóng.

asen v« c¬). (cid:2) B¶o qu¶n gç. (cid:2) (Thuèc nhuém, s¬n.) (cid:2) LuyÖn kim (t¨ng ®é cøng cña ®ång); (cid:2) Gèm vµ thuû tinh, B¸n dÉn, §iÖn tö, Y häc, Ho¸ chÊt, vv... (cid:1) Con ®−êng th©m nhËp chñ yÕu cña asen vµo c¬ thÓ lµ qua ®−êng thøc ¨n (trung b×nh 25 - 50 ug/ng®), ngoµi ra cßn mét l−îng nhá qua n−íc uèng vµ kh«ng khÝ. Mét sè loµi c¸ vµ thuû s¶n dïng lµm thùc phÈm chøa asen cao h¬n b×nh th−êng, nh−ng l−îng asen nµy th−êng tån t¹i d−íi d¹ng hîp chÊt asen h÷u c¬ Ýt ®éc.

(cid:1) As trong tÕ bµo thùc vËt: 0,01 - 5 ppm / träng l−îng kh«. (cid:1) Thùc vËt biÓn: nhiÒu As h¬n. T¶o biÓn, t¶o n©u: 94 ppm. (cid:1) TÕ bµo ng−êi: < 0,3 ppm. (cid:1) T«m c¸ biÓn: 120 ppm/träng l−îng kh«.

(cid:2) Tr−íc kia, c¸c hîp chÊt asen v« c¬: s¬n, thuèc nhuém, b¶ chuét, thuèc ch÷a mét sè bÖnh truyÒn nhiÔm nh− hen, v¶y nÕn, ...

1

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

C«ng nghÖ xö lý n−íc

Arsenic in groundwater worldwide

As(III) As(III)

As(V) As(V)

USA

0.4 n 10 Mio.

(cid:1) NhiÒu vïng trªn thÕ giíi ®ang bÞ « nhiÔm hay cã dÊu hiÖu bÞ « nhiÔm asen trong n−íc ngÇm víi hµm l−îng cao, nh− Ên ®é, Bangladesh, M«ng cæ, §µi loan, Ghana, Achentina, Chilª, ...

Vietnam

3.6 n 11 Mio.?

Nepal

Pakistan

Thailand

Laos Cambodia

(cid:1) 97% d©n sè Bangladesh (120 triÖu ng−êi) ®ang sö dông n−íc ngÇm lµm nguån n−íc cÊp cho sinh ho¹t. Trong sè ®ã cã tíi 77 triÖu ng−êi sö dông nguån n−íc cã chøa asen víi hµm l−îng cao.

Sumatra

Country

Max n

People at risk

n natural a anthropogenic m mine waste

mg/L

Asen cã ¶nh h−ëng tíi søc kháe con ng−êi nh− thÕ nµo?

(cid:1) Mét l−îng lín Asen cã thÓ g©y chÕt ng−êi. (cid:1) Møc ®é « nhiÔm nhÑ h¬n cã thÓ dÉn ®Õn th−¬ng tæn c¸c m« hay c¸c hÖ thèng cña c¬ thÓ.

(cid:1) Khi bÞ nhiÔm ®éc Asen d¹ng hîp chÊt v« c¬ qua ®−êng miÖng: lµ sù xuÊt hiÖn c¸c vÕt mµu ®en vµ s¸ng trªn da, nh÷ng “h¹t ng«“ nhá trong lßng bµn tay, lßng bµn ch©n vµ trªn m×nh n¹n nh©n. NÕu kh«ng ®−îc ch÷a trÞ ®óng c¸ch vµ kÞp thêi, nh÷ng h¹t nhá nµy cã thÓ sÏ biÕn chøng g©y ung th− da. (cid:1) Asen cßn t¨ng nguy c¬ g©y ung th− trong c¬ thÓ, nhÊt lµ ë gan, thËn, bµng quang vµ phæi.

(cid:1) NhiÔm ®éc c¸c hîp chÊt Asen v« c¬ qua ®−êng h« ...., hÊp: ®au nhÑ ®Õn ®au nhøc da, m¾t, miÖng, bÖnh ung th− phæi. (cid:1) Khi Asen th©m nhËp qua miÖng: ®au r¸t hÖ thèng tiªu hãa, buån n«n, n«n möa vµ tiªu ch¶y. Ngoµi ra cã thÓ bÞ gi¶m l−îng hång cÇu vµ b¹ch cÇu trong m¸u, rèi lo¹n tim m¹ch, tæn th−¬ng m¹ch m¸u, suy gan, thËn, rèi lo¹n thÇn kinh, g©y c¶m gi¸c nh− bÞ gai ®©m vµo lßng bµn ch©n vµ tay.

Asen cã ¶nh h−ëng tíi søc kháe con ng−êi nh− thÕ nµo?

(cid:1) ¤ nhiÔm asen qua ®−êng h« hÊp víi nång ®é kho¶ng 200 ug/m3 th−êng g©y ®au r¸t mòi, häng vµ da n¬i tiÕp xóc.

(cid:1) US EPA: víi l−îng tiÕp nhËn hµng ngµy 1 ug/kg.ng® (kho¶ng 50 - 100 ug ®èi víi ng−êi lín) trong thêi gian dµi cã thÓ dÉn tíi nguy c¬ ung th− da víi x¸c suÊt 0.1% (1/1000). L−îng nµy t−¬ng ®−¬ng víi sö dông n−íc nguån « nhiÔm asen víi hµm l−îng 25 - 50 ug/l trong mét ®êi ng−êi. (cid:1) BÞ nhiÔm ®éc ë møc cao h¬n sÏ cã nh÷ng triÖu chøng t−¬ng tù nh− « nhiÔm m¹n tÝnh qua ®−êng miÖng ë møc trung b×nh.

(cid:1) HÝt thë th−êng xuyªn kh«ng khÝ chøa 1ug/m3 asen cã thÓ dÉn ®Õn ung th− víi x¸c suÊt kho¶ng 0.4% (4/1000).

2

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

C«ng nghÖ xö lý n−íc

2. C¸c c«ng nghÖ xö lý asen trong n−íc ngÇm

(cid:3) C¸c nhãm gi¶i ph¸p c«ng nghÖ chñ yÕu: (cid:2) WHO: nång ®é giíi h¹n cho phÐp cña Asen trong n−íc cÊp uèng trùc: 10 ug/l.

(cid:2) ¡n uèng: 10 ug/l (QCVN 01:2009/BYT). (cid:2) Sinh ho¹t, cÊp n−íc tËp trung: 10 ug/l

(QCVN

(cid:2) US EPA, EU: h−íng tíi 2 - 20 ug/l. (cid:2) ViÖt Nam: nång ®é giíi h¹n cho phÐp cña Asen trong n−íc cÊp:

02:2009/BYT, Giíi h¹n I).

(cid:3) Quy m« nhá: tËp trung vµo c¸c gi¶i ph¸p c«ng nghÖ ®¬n gi¶n,

(cid:2) Sinh ho¹t, cÊp n−íc t¹i chç hé gia ®×nh: 50 ug/l (QCVN

chi phÝ thÊp.

02:2009/BYT, Giíi h¹n II).

(cid:3) Nh×n chung, c¸c gi¶i ph¸p t¹m thêi, chi phÝ thÊp th−êng kh«ng ®¸p øng ®−îc tiªu chuÈn cña WHO (10 ppb). CÇn thiÕt ph¶i sö dông nh÷ng gi¶i ph¸p dµi h¹n, hay sö dông kÕt hîp mét sè c«ng nghÖ.

• T¹o kÕt tña - L¾ng • Keo tô - L¾ng • Läc • HÊp phô • ¤xy ho¸ • Läc mµng • Oxy ho¸ quang n¨ng, “

C¬ chÕ qu¸ trinh xö lý Asen

2.1. T¹o kÕt tña - L¾ng - läc

In solution

In sand filter

iron oxidation

iron coagulation

iron precipitation on sand

arsenic oxidation

arsenic co-precipitation

(cid:1) Nguyªn t¾c: t¹o c¸c chÊt kÕt tña víi c¸c ion tan trong dung dÞch.

(cid:1) S¾t th−êng tån t¹i trong n−íc ngÇm ë d¹ng Hydro cacbonat S¾t (II) hoµ tan. Khi gÆp oxy, sÏ ®−îc oxy ho¸ vµ t¹o thµnh chÊt kÕt tña. C¸c hîp chÊt cña Asen cã kh¶ n¨ng hÊp phô lªn c¸c ““b«ng““ kÕt tña ®ã (Ph−¬ng ph¸p céng kÕt tña)

(cid:1) T¸ch khái n−íc nhê L¾ng vµ Läc

(cid:1) C¸c tr¹m xö lý n−íc ngÇm chøa s¾t th−êng ®−îc thiÕt kÕ theo c«ng nghÖ lµm tho¸ng - l¾ng - läc. Nh÷ng tr¹m nµy còng khö ®−îc asen mµ kh«ng cÇn dïng ho¸ chÊt keo tô.

2.3. läc

2.2. Keo tô - l¾ng - läc

(cid:1) VËt liÖu läc th«ng th−êng: c¸t, than antraxit, than ho¹t tÝnh d¹ng h¹t, ... (cid:1) VËt liÖu läc rÎ tiÒn ë ®Þa ph−¬ng: v¶i, than, s¬ dõa (cid:1) Dïng c¸c chÊt keo tô, nh− c¸c muèi cña S¾t hoÆc Nh«m (phÌn), chuyÓn Asen tõ d¹ng tan sang d¹ng kh«ng tan nhê ph¶n øng ho¸ häc, sau ®ã t¸ch ra khái n−íc nhê l¾ng vµ/hoÆc läc. Ðp, x¬ m−íp, sái nhá, ...

nhau: FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3:

(cid:1) FeCl3 cho phÐp ®¹t hiÖu suÊt lo¹i bá Asen cao nhÊt: > 90 %.

(cid:1) Cã thÓ ph¶i oxy ho¸ s¬ bé vµ/hoÆc ®iÒu chØnh pH. (cid:1) Xö lý cÆn th¶i chøa arsen tõ qu¸ tr×nh keo tô? (cid:1) PhÌn S¾t th−êng cho hiÖu qu¶ xö lý cao h¬n so víi cïng mét l−îng phÌn Nh«m, ®é dao ®éng pH cho phÐp lín h¬n. (cid:1) So s¸nh hiÖu qu¶ khö Asen víi 3 lo¹i phÌn keo tô kh¸c

3

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

C«ng nghÖ xö lý n−íc

2.4. HÊp phô:

(cid:1) Dïng m¹t s¾t (Fe ho¸ trÞ 0) Fe = 2000 mg/l. HiÖu suÊt lu«n ®¹t > 93%.

(cid:1) Sù cã mÆt cña Sulffat lµm t¨ng hiÖu suÊt xö lý, trong khi Phosohate l¹i lµm øc chÕ. (cid:1) t = 12 h ... 3,5 ng®.

(cid:1) Asen cã thÓ ®−îc hÊp phô lªn bÒ mÆt cña c¸c vËt liÖu d¹ng h¹t, h¹t sÐt hay vËt liÖu gèc xellulo nh−: Than ho¹t tÝnh; than ho¹t tÝnh ®· xö lý b»ng mét sè hîp chÊt kim lo¹i; c¸c hîp chÊt oxyt s¾t, oxyt titan, oxyt silic; sÐt kho¸ng (caolanh, bentonite, ...); boxit, hematite, felspat; nhùa tæng hîp trao ®æi anion; chitin vµ chitosan; bone char; c¸t bäc mét líp oxyt s¾t hoÆc dyoxit mangan MnO2; c¸c vËt liÖu xellulo (mïn c−a, bét giÊy b¸o), vv...

(cid:1) HiÖu suÊt xö lý t¨ng nÕu sö dông c¸c chÊt oxy ho¸ hç trî qu¸ tr×nh hÊp phô asen.

Sö dông m¹t s¾t kÕt hîp víi c¸t dïng Oxyt nh«m kim lo¹i ho¹t ho¸ dïng O

(cid:1) C«ng nghÖ AsRT: Läc víi vËt liÖu hÊp phô b»ng m¹t (cid:1) VËt liÖu hÊp phô cã nguån gèc s¾t trén lÉn víi c¸t th¹ch anh. (cid:1) HÖ thèng bao gåm 2 cét läc nèi tiÕp. tõ nh«m, cã kh¶ n¨ng t¸ch Asen ë 2 d¹ng tån t¹i phæ biÕn ë trong n−íc lµ As (III) vµ As(V) (Aqua-BindTM, vv.)

- Cét thø nhÊt víi vËt liÖu läc lµ Sulfat Bari vµ c¸t th¹ch anh. - Cét thø hai víi vËt liÖu läc lµ m¹t s¾t vµ c¸t th¹ch anh. (cid:1) Nh«m ho¹t ho¸ cã tÝnh lùa chän cao ®èi víi As(V). (cid:1) CÇn tÝnh ®Õn kh¶ n¨ng hoµn nguyªn vµ thay thÕ vËt liÖu läc khi sö dông.

(cid:1) Hµm l−îng s¾t trong n−íc nguån cµng cao, hiÖu suÊt lÇn hoµn khö asen vµ chu kú lµm viÖc gi÷a hai nguyªn cµng t¨ng.

(cid:1) S¾t bÞ oxy ho¸, t¹o m«i tr−êng thiÕu khÝ (anoxic) ®èi víi Asen (trong ®iÒu kiÖn thiÕu oxy). M¹t s¾t (= c¸c Ion s¾t ho¸ trÞ 0) khö Asen v« c¬ thµnh d¹ng kÕt tña cïng víi s¾t, hçn hîp kÕt tña, hay kÕt hîp víi Sulfat t¹o Pyrit Asen. Asen ®−îc gi÷ l¹i trong cét läc. Arsen trong n−íc sau xö lý ®¹t d−íi 27 ppb. (cid:1) H¹n chÕ: l−îng vËt liÖu hÊp phô th¶i ra lín: 50 - 200 g / m3 n−íc (gÊp gÇn 10 lÇn so víi l−îng cÆn t¹o thµnh khi sö dông ph−¬ng ph¸p keo tô b»ng phÌn s¾t).

dïng Laterite dïng Hydroxyt s¾t

(cid:1) VËt (cid:1) Lµ lo¹i ®Êt sÐt cã mµu ®á, rÊt phæ biÕn ë c¸c vïng nhiÖt ®íi.

líp liÖu hÊp phô: bét giÊy b¸o cã phñ mét Hydroxyt s¾t (III) (GiÊy b¸o c¾t vôn ®−îc trén víi kho¸ng chÊt Blender vµ nghiÒn nhá thµnh bét. Sau ®ã trén víi hydroxyt s¾t vµ khuÊy ®Òu, lµm hydroxyt s¾t b¸m vµo c¸c sîi xellulo). (cid:1) Thµnh phÇn chñ yÕu cña Laterite lµ c¸c Hydroxyt S¾t vµ Nh«m, hoÆc c¸c oxyt ngËm n−íc cña chóng, vµ mét l−îng nhá c¸c hîp chÊt cña Mangan, Titan.

(cid:1) VËt liÖu phÊp phô Hydroxyt s¾t d¹ng h¹t (Driehaus, (cid:1) ë ®iÒu kiÖn tù nhiªn, lo¹i ®Êt sÐt nµy cã ®iÖn tÝch bÒ mÆt d−¬ng, cã kh¶ n¨ng hÊp phô c¸c chÊt bÈn mang ®iÖn tÝch ©m nh− Arsenic.

§øc). VËt liÖu nµy cã kh¶ n¨ng hÊp phô cao: Nång ®é arsen trong n−íc tr−íc xö lý 100 – 180 ppb, sau xö lý ®¹t < 10 ppb. (cid:1) Cã thÓ ®−a laterite trùc tiÕp vµo n−íc cÇn xö lý nh− chÊt hÊp phô, sau ®ã ®Ó l¾ng, hoÆc cã thÓ sö dông lµm vËt liÖu hÊp phô trong bÓ läc.

4

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

C«ng nghÖ xö lý n−íc

2.5. Trao ®æi Ion

2.6. Oxy ho¸

(cid:1) Anion axit m¹nh (Cl-): chuyÓn gèc arsenate H2AsO4 2- . sang arsenate H2AsO4 (cid:1) Lµm tho¸ng b»ng c¸ch sôc kh«ng khÝ vµo n−íc, cã thÓ oxy ho¸ asen vµ s¾t cã trong n−íc, t¹o chÊt kÕt tña FeAsO4. (cid:1) Asen sau xö lý cã thÓ ®¹t d−íi 2 ppb. (cid:1) Hoµn nguyªn: NaCl. (cid:1) Lµm tho¸ng ®¬n gi¶n vµ l¾ng: Asen sÏ ®−îc t¸ch cïng víi Hydroxyt S¾t kÕt tña. HiÖu suÊt xö lý ®¹t 25% ®èi víi n−íc ngÇm chøa nhiÒu s¾t.

2.7. Oxy hãa quang ho¸

(cid:1) Lo¹i bá Arsenite (As(III)) vµ c¶ c¸c chÊt hoµ tan kh¸c nh− S¾t, Phosphorus, Sulfur, ... khái n−íc b»ng c¸ch ®−a chÊt oxy ho¸ vµ chÊt hÊp phô quang ho¸.

Advantage:

aeration assures oxygen saturation for iron oxidation

Disadvantage: construction requires special material and skills, higher costs

(cid:1) ChiÕu tia cùc tÝm vµo n−íc råi sau ®ã l¾ng. (cid:1) ChÊt oxy ho¸ cã thÓ lµ oxy tinh khiÕt hoÆc sôc khÝ. (cid:1) ChÊt hÊp phô quang ho¸ cã thÓ lµ Fe(II), Fe(III), Ca(II). (cid:1) Cã thÓ sö dông ¸nh s¸ng mÆt trêi lµm nguån tia cùc tÝm.

(cid:1) Ph¶n øng cã thÓ x¶y ra ë nhiÖt ®é trong phßng vµ ¸nh s¸ng thÊp, kh«ng ®ßi hái c¸c thiÕt bÞ phøc t¹p. (cid:1) Do As(III) bÞ oxy ho¸ thµnh As(V) víi tèc ®é rÊt chËm, cã thÓ sö dông c¸c chÊt oxy ho¸ m¹nh nh− Cl2, H2O2 hoÆc O3. PhÇn lín chi phÝ xö lý chÝnh lµ c¸c ch©t oxy ho¸ nµy (Khoa G.H., Emett M.T. et al, 1997).

Ph−¬ng ph¸p SORAS

(cid:1) Ph¶n øng oxy ho¸ quang ho¸ nhê n¨ng l−îng bøc oxy ho¸ quang ho¸ As(III) thµnh x¹ (SORAS): As(V) nhê ¸nh s¸ng mÆt trêi, sau ®ã t¸ch As(V) ra khái n−íc nhê hÊp phô b»ng c¸c h¹t Fe(III). “ T¨ng c−êng hiÖu suÊt nhê nhá thªm vµi giät chanh, gióp cho qu¸ tr×nh t¹o c¸c b«ng keo Fe(III). (cid:1) Hµm l−îng s¾t trong n−íc ngÇm Ýt nhÊt 3 mg/l, c−êng ®é bøc x¹ UV-A 50 Wh/m2.

5

PGS. TS. NguyÔn ViÖt Anh, IESE

C«ng nghÖ xö lý n−íc

2.8. Ch−ng cÊt b»ng n¨ng l−îng mÆt trêi

(cid:1) Ph−¬ng ph¸p nµy sö dông n¨ng l−îng mÆt trêi ®Ó lµm bèc h¬i n−íc, sau ®ã cho n−íc ng−ng tô l¹i. Qu¸ tr×nh bay h¬i vµ ng−ng tô n−íc sÏ t¸ch tÊt c¶ c¸c chÊt, trong ®ã cã c¶ Asen ra khái n−íc. (cid:1) ¸p dông tèt ë c¸c n−íc vïng nhiÖt ®íi, víi nguån n¨ng l−îng mÆt trêi s½n cã.