GIẢI PHÁP XỬ LÝ ASEN Ô NHIỄM TRONG NƯỚC SINH HOẠT

Tác hại của asen và giải pháp xử lý asen trong nước sinh hoạt đang là đề tài nóng được cả xã hội quan tâm. Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện,… Công nghệ đốt chất thải rắn là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi Asen.

>>>Báo động tình trạng nước nhiễm asen

>>>Hà Nội: Bảo vệ, sử dụng nguồn nước hiệu quả

>>>Quy chuẩn quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt

Nhận biết nguồn nước bị ô nhiễm qua màu sắc

Nguồn gốc và sự phân bố Asen trong thiên nhiên

Asen trong thiên nhiên có thể tồn tại trong các thành phần môi trường đất, nước, không khí, sinh học…. Và có liên quan chặt chẽ tới các quá trình địa chất, địa hóa, sinh địa hóa. Các quá trình này sẽ làm cho Asen nguyên sinh có mặt trong một số thành tạo địa chất. Các phân vị địa tầng, mangan, các biến đổi nhiệt dịch và quặng hóa sunphua chứa Asen. Nó tiếp tục phân tán hay tập trung gây ô nhiễm môi trường sống.

Cơ chế ô nhiễm Asen và sự tồn tại của Asen trong nước

Asen được giải phóng vào môi trường nước do quá trình oxi hóa các khoáng sunfua. Hoặc do quá trình khử các khoáng oxi hidroxit giàu Asen. Về cơ chế xâm nhiễm các kim loại nặng. Trong đó có Asen vào nước ngầm cho đến nay. Đã có nhiều giả thiết khác nhau nhưng vẫn chưa thống nhất.

Thông qua các quá trình thủy địa hóa và sinh địa hóa, các điều kiện địa chất thủy văn. Mà Asen có thể xâm nhập vào môi trường nước.

Hàm lượng Asen trong nước dưới đất phụ thuộc vào tính chất và trạng thái môi trường địa hóa. Asen tồn tại trong nước dưới đất ở dạng H3AsO4-1 (trong môi trường pH axit đến gần trung tính). HAsO4-2 (trong môi trường kiềm). Hợp chất H3AsO3 được hình thành chủ yếu trong môi trường oxi hóa-khử yếu. Các hợp chất của Asen với Na có tính hòa tan rất cao. Những muối của Asen với Ca, Mg, các hợp chất Asen hữu cơ trong môi trường pH gần trung tính. Nó nghèo Ca thì độ hòa tan kém hơn các hợp chất hữu cơ. Đặc biệt là Asen-axit fulvic thì rất bền vững. Có xu thế tăng theo độ pH và tỷ lệ Asen-axit fulvic. Các hợp chất của As5+ hình thành theo phương thức này.

• Như chúng ta đã biết, Asen là nguyên tố vi lượng, rất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của con người và sinh vật. Asen có vai trò trong trao đổi chất nuclein, tổng hợp protit và hemoglobin.Vai trò của Asen và nguồn gốc ô nhiễm Asen do hoạt động phát triển

• Asen là nguyên tố có mặt trong nhiều loại hóa chất sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: hóa chất, phân bón (lân – phốt phát, đạm- nitơ), thuốc bảo vệ thực vật, giấy, dệt nhuộm…

• Nhiều ngành công nghiệp sử dụng nhiên liệu hóa thạch như công nghiệp xi măng, nhiệt điện,…. Công nghệ đốt chất thải rắn cũng là nguồn gây ô nhiễm không khí, nước bởi Asen.

• Các ngành công nghiệp khai thác và chế biến các loại quặng. Nhất là quặng sunfua, luyện kim tạo ra nguồn ô nhiễm Asen. Việc khai đào ở các mỏ nguyên sinh đã phơi lộ các quặng sunfua. Làm gia tăng quá trình phong hóa, bào mòn và tạo ra khối lượng lớn đất đá thải có lẫn Asenopyrit ở lân cận khu mỏ. Tại các nhà máy tuyển quặng, Asenopyrit được tách ra khỏi các khoáng vật có ích và phơi ra không khí. Asenopyrit bị rửa lũa, dẫn đến hậu quả là một lượng lớn Asen được đưa vào môi trường xung quanh. Những người khai thác tự do khi đãi quặng đã thêm vào axit sunphuric, xăng dầu, chất tẩy. Asenopyrit sau khi tách khỏi quặng sẽ thành chất thải và được chất đống ngoài trời. Rồi trôi vào sông suối, gây ô nhiễm tràn lan.

Đó là những nguồn phát thải Asen gây ô nhiễm nước, đất, không khí.

>>Phương pháp xử lý nguồn nước nhiễm Mangan

>>Công nghệ làm mềm nước chứa nhiều Canxi, Magie

>>Sự nguy hiểm của nguồn nước nhiễm Chì

Asen trong nước – Kẻ giết người thầm lặng

Tác động của Asen đối với sức khỏe con người và sinh vật

• Asen là chất rất độc hại, có thể gây 19 loại bệnh khác nhau. Trong đó có các bệnh nan y như ung thư da, phổi.
• Asen ảnh hưởng đối với thực vật như một chất ngăn cản quá trình trao đổi chất. Và làm giảm năng suất cây trồng.
• Sự nhiễm độc Asen được gọi là arsenicosis. Đó là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người. Những biểu hiện của bệnh nhiễm độc Asen là chứng sạm da (melanosis), dày biểu bì (kerarosis). Từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư da, viêm răng, khớp… Hiên tại trên thế giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh nhiễm độc Asen.
• Liên quan đến việc xác định, đánh giá tác động của Asen đối với cơ thể. Trong một số năm gần đây đã có các nghiên cứu phân tích mẫu tóc, máu để xác định hàm lượng Asen. Nghiên cứu phân tích hàm lượng Asen trong tóc cho thấy có sự tương đồng giữa các vùng ô nhiễm nước ngầm bởi Asen.

Giải pháp xử lý Asen trong nước sinh hoạt

Khi nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý, loại bỏ Asen trước tiên phải căn cứ vào trạng thái tồn tại, mức độ hay nồng độ của nó trong nước, các yếu tố và điều kiện địa phương…

Cần nhấn mạnh rằng TCCP về hàm lượng Asen trong nước ăn uống sinh hoạt theo TC 505/ BYT năm 1992 là 0,05 mg/l hay 50 µg/l, nhưng 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 như quy định của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), Mỹ (US EPA), Cộng đồng châu Âu (EU). Dưới đây là một số công nghệ xử lý nước ô nhiễm Asen ở các nước và Việt Nam.

Công nghệ loại bỏ Asen trong nước, phần lớn là nước dưới đất được phân thành các phương 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; Phương pháp sinh học và cây trồng; Sử dụng kết hợp các phương pháp trên.

Phương pháp keo tụ – Kết tủa xử lý Asen trong nước sinh hoạt

Cộng kết tủa – lắng – lọc đồng thời với quá trình xử lý sắt và/hoặc mangan có sẵn trong nước ngầm tự nhiên. Đây là phương pháp xử lý đơn giản nhất. Bằng cách bơm nước ngầm từ giếng khoan. Sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa. Asen (III) được 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.  Những nghiên cứu này cũng đã chỉ rằng hàm lượng Asen trong nước sau khi xử lý bằng phương pháp trên phụ thuộc nhiều vào thành phần các hợp chất khác trong nước nguồn. Và trong đa số trường hợp, không cho phép đạt nồng độ Asen thấp dưới tiêu chuẩn. Do vậy cần tiếp tục xử lý bằng các phương pháp khác.

Phương pháp keo tụ bằng hóa chất xử lý Asen trong nước sinh hoạt

• Phương 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 nước. Tuy vậy, phương pháp này khó cho phép đạt được nồng độ Asen trong nước sau xử lý xuống tới 10 mg/l. Một hạn chế của phương pháp sử dụng vôi là tạo ra một lượng cặn lớn sau xử lý.
• Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt.

Phương pháp oxi hóa xử lý Asen trong nước sinh hoạt

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh:

Các chất oxi hóa được phép sử dụng trong cấp nước như Clo, KMnO4, H2O2, Ozon.

Oxi hóa điện hóa:

Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp dùng điện cực là hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước 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 như Sắt, Phosphorus, Sulfur,… khỏi nước bằng cách đưa chất oxy hóa và chất hấp phụ quang hóa: (chiếu tia cực tím vào nước 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 như Cl2, H2O2 hoặc O3. Phần lớn chi phí xử lý chính là các chất oxy hóa này.

Phương pháp hấp phụ xử lý Asen trong nước sinh hoạt

Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa:

Nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả để xử lý nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao. Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunffat với hàm lượng 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 được 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 được yêu cầu sử dụng hóa chất. Phương pháp này tương đối thuận lợi, nhất là cho các vùng nông thôn nghèo. Chỉ cần đổ nước giếng cần xử lý qua lớp vật liệu lọc. Thời gian làm việc của thiết bị phụ thuộc vào chất lượng nước và hàm lượng sắt trong nước nguồn. Hàm lượng sắt trong nước nguồn càng cao, hiệu suất khử Asen càng cao và chu kỳ làm việc trước 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 tách Asen ở 2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nước 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 thường khi có mặt các Ion cạnh tranh. Cường độ hấp phụ nhanh, cho phép đạt hiệu suất cao, lượng Asen sau xử lý đạt dưới mức giới hạn tìm thấy của thiết bị phân tích trong phòng thí nghiệm.

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 nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan. Ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét này có điện tích bề mặt dương, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang điện tích âm như Asenic. Có thể đưa laterite trực tiếp vào nước cần xử lý như chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng làm vật liệu hấp phụ trong bể lọc. Tại Ấn Độ, người ta đã nghiên cứu thực nghiệm để xử lý Asenic với nồng độ cao trong nước ngầm bằng laterite theo tỷ lệ 5 g laterite/100 ml nước. Hiệu suất xử lý đạt 50 – 90 %. Hiệu suất có thể đạt cao hơn khi xử lý laterite trước bằng dung dịch HNO3 0,01 M.

Ngoài ra, còn nhiều vật liệu hấp phụ khác đã và đang được nghiên cứu ứng dụng để loại bỏ Asen trong nước ngầm.

Sử dụng viên sắt có chứa Clo:

Khi đưa những viên sắt vào trong nước, 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 nước trong hoặc lọc qua ống lọc. Cặn lắng chứa Asen được thải ra bãi phế thải. Asen ở đây chuyển hóa sang thể bay hơi AsH3 và 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 Trường ĐHTH Connecticut, Mỹ đưa ra. Người ta sử dụng cột lọc với vật liệu hấp phụ bằng mặt sắt trộn lẫn với cát thạch anh. Nước ngầm được 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 Pyrit Asen. Phương pháp này có thể được áp dụng để lắp đặt một thiết bị xử lý nước riêng biệt, hay lắp đặt như một chi tiết trong thiết bị xử lý nước giếng khoan. Asen trong nước sau xử lý đạt dưới 27 mg/l.

Hydroxyt sắt:

Hydroxyt sắt dạng hạt được sử dụng trong cột hấp phụ. Công nghệ này kết hợp những ưu điểm của phương pháp keo tụ – lọc, có hiệu suất xử lý cao và lượng cặn sinh ra ít, với phương pháp nhôm hoạt hóa, có ưu điểm là đơn giản. Hạt Hydroxit sắt được sản xuất từ dung dịch FeCl3 bằng cách cho phản ứng với dung dịch NaOH. Kết tủa tạo thành được rửa sạch, tách nước bằng quay ly tâm và tạo hạt dưới áp suất cao. Vật liệu này có khả năng hấp phụ cao. Nồng độ Asen trong nước trước xử lý 100 – 180 mg/l, sau xử lý đạt < 10 mg/l.

Phương pháp trao đổi Ion xử lý Asen trong nước sinh hoạt

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 nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-). Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu 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 dưới 2 ppb. Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ.

Công nghệ lọc bằng hệ thống lọc nước

Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc là cát:

Asen được loại bỏ khỏi nước trong bể lọc cát là nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát. Fe(II) ở dạng hòa tan trong nước, sẽ bị oxi hóa bởi oxi của không khí để tạo thành Fe(III). Hidroxit Fe(III) sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng. Asen (V) và Asen(III) trong nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc. Kết quả, nước ra khỏi bể lọc đã được giải phóng khỏi sắt và Asen.

Giải pháp hệ thống lọc xử lý nước nhiễm Asen

Công nghệ lọc màng:

Sử dụng các màng bán thấm, chỉ cho phép nước và một số chất hòa tan đi qua, để làm sạch nước. Công nghệ lọc màng tách bất cứ loại chất rắn hòa tan nào ra khỏi nước, kể cả Asen. Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt. Do đó thường được sử dụng trong những trường hợp cần thiết, bắt buộc. Khó áp dụng các phương pháp khác như khử muối, loại bỏ một số ion như Asen… Nhiều loại màng lọc được sử dụng như vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc, lọc nano.

Kết luận: Tác hại và giải pháp xử lý Asen trong nước sinh hoạt

Để tránh nhiễm độc Asen, cần áp dụng các biện pháp tổng thể, từ quy hoạch, quản lý, đến phát triển các công nghệ sản xuất, xử lý ô nhiễm phù hợp, cho đến tuyên truyền, giáo dục, và các giải pháp y tế, chăm sóc sức khỏe cộng động,….

Cần thiết phải phân loại, khoanh vùng theo diện ô nhiễm. Và phân loại theo mức độ hay nồng độ ô nhiễm bởi Asen.

Theo PGS.TS Nguyễn Đức Khiển (Moitruongvadothi)