Bài giảng Công nghệ xử lý nước - Xử lý các chẩt đặc biệt trong nước - Nguyễn Việt Anh

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ xử lý nước - Xử lý các chẩt đặc biệt trong nước - Nguyễn Việt Anh

1. Công nghệ xử lý n−ớc 1. Giới thiệu về Asen xử lý các chất đặc biệt
   Asen l nguyên tố hình thnh tự nhiên trong vỏ Trái đất. trong n−ớc
   Các hợp chất asen vô cơ: Arsenat (As(V), arsenite (As(III), arsenic sulfide (HAsS2), 0 asen nguyên tố (As ) v asen ở dạng khí Arsine AsH 3 (As( III)). 2 Xử lý Asen Các hợp chất Arsenate (As(V): H3AsO 4,H2AsO 4 , HAsO 4 3 , AsO 4 . Các hợp chất Arsenite (As(III): Các hợp chất asen vô cơ bị 2 3 khử, nh− H3AsO 3,H2AsO 3 , HAsO 3 , AsO 3 .
   Các hợp chất asen h ữu cơ: (CH 3)2AsO(OH), PGS. TS. Nguyễn Việt Anh C6H5AsO(OH) 2, vv Viện Khoa học v Kỹ thuật Môi tr−ờng,
   Các dạng hợp chất hữu cơ của asen th−ờng ít độc hơn so Tr−ờng đại học Xây dựng với các hợp chất asen vô cơ. Giới thiệu về Asen Nồng độ các hợp chất Arsenat As(IV) trong n−ớc ngầm phụ thuộc vp pH
   Trong MT khử (trong lòng đất): VK kỵ khí (Methanogenic bacteria) khử As(V) sang As (III) v Metyl hoá chúng, tạo nên Methylarsenic acid CH 3AsO(OH) 2 hay Dimethyl Arsenic Acid (cacodylic) (CH 3)2AsO(OH). Nh ững chất ny có thể đ−ợc Methyl hoá tiếp tạo Trimethylarsine bay hơi rất độc v Dimethylarsine (III) rất độc. Công dụng:
   Asen tồn tại phổ biến trong môi tr−ờng xung quanh,  Sản xuất thuốc trừ sâu, diệt cỏ (cả asen hữu cơ v v mọi ng−ời đều tiếp xúc với một l−ợng nhỏ của asen vô cơ). chúng.
   Con đ−ờng thâm nhập chủ yếu của asen vo cơ thể  Bảo quản gỗ. l qua đ−ờng thức ăn (trung bình 25 50 ug /ngđ),  (Thuốc nhuộm, sơn.) ngoi ra còn một l−ợng nhỏ qua n−ớc uống v không khí. Một số loi cá v thuỷ sản dùng lm thực phẩm  Luyện kim (t ăng độ cứng của đồng); chứa asen cao hơn bình th−ờng, nh−ng l−ợng asen  Gốm v thuỷ tinh, Bán dẫn, Điện tử, Y học, Hoá chất, ny th−ờng tồn tại d−ới dạng hợp chất asen hữu cơ ít vv độc.
   As trong tế bo thực vật: 0,01 5 ppm / trọng l−ợng khô.
   Thực vật biển: nhiều As hơn. Tảo biển, tảo nâu: 94 ppm.  Tr−ớc kia, các hợp chất asen vô cơ: sơn, thuốc
   Tế bo ng−ời: < 0,3 ppm. nhuộm, bả chuột, thuốc ch ữa một số bệnh truyền
   Tôm cá biển: 120 ppm/trọng l−ợng khô. nhiễm nh− hen, vảy nến, PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 1
2. Công nghệ xử lý n−ớc Arsenic in groundwater worldwide As(III) As(V) USA
   Nhiều vùng trên thế giới đang bị ô nhiễm hay có dấu 0.4 n 10 Mio. hiệu bị ô nhiễm asen trong n−ớc ngầm với hm l−ợng cao, nh− ấn độ, Bangladesh, Mông cổ, Đi loan, Ghana, Achentina, Chilê, Vietnam 3.6 n 11 Mio.?
   97% dân số Bangladesh (120 triệu ng−ời) đang sử Nepal dụng n−ớc ngầm lm nguồn n−ớc cấp cho sinh hoạt. Pakistan Trong số đó có tới 77 triệu ng−ời sử dụng nguồn n−ớc Laos Cambodia Thailand có chứa asen với hm l−ợng cao. Sumatra Country n natural People Max n at risk a anthropogenic m mine waste mg/L Asen có ảnh h−ởng tới sức khỏe Asen có ảnh h−ởng tới sức khỏe con ng−ời nh− thế no? con ng−ời nh− thế no?
   Một l−ợng lớn Asen có thể gây chết ng−ời.
   Khi bị nhiễm độc Asen dạng hợp chất vô cơ qua
   Mức độ ô nhiễm nhẹ hơn có thể dẫn đến th−ơng tổn đ−ờng miệng: l sự xuất hiện các vết mu đen v sáng trên da, nh ững “hạt ngô“ nhỏ trong lòng bn các mô hay các hệ thống của cơ thể. tay, lòng bn chân v trên mình nạn nhân. Nếu không đ−ợc ch ữa trị đúng cách v kịp thời, nh ững hạt
   Khi Asen thâm nhập qua miệng: đau rát hệ thống tiêu nhỏ ny có thể sẽ biến chứng gây ung th− da. hóa, buồn nôn, nôn mửa v tiêu chảy. Ngoi ra có
   Asen còn tăng nguy cơ gây ung th− trong cơ thể, nhất thể bị giảm l−ợng hồng cầu v bạch cầu trong máu, l ở gan, thận, bng quang v phổi. rối loạn tim mạch, tổn th−ơng mạch máu, suy gan,
   Nhiễm độc các hợp chất Asen vô cơ qua đ−ờng hô thận, rối loạn thần kinh, gây cảm giác nh− bị gai đâm hấp: đau nhẹ đến đau nhức da, mắt, miệng, , vo lòng bn chân v tay. bệnh ung th− phổi. Asen có ảnh h−ởng tới sức khỏe Asen có ảnh h−ởng tới sức khỏe con ng−ời nh− thế no? con ng−ời nh− thế no?
   Ô nhiễm asen qua đ−ờng hô hấp với nồng độ khoảng
   US EPA: với l−ợng tiếp nhận hng ngy 1 ug /kg.ngđ 200 ug /m 3 th−ờng gây đau rát mũi, họng v da nơi (khoảng 50 100 ug đối với ng−ời lớn) trong thời gian tiếp xúc. di có thể dẫn tới nguy cơ ung th− da với xác suất 0.1% (1/1000). L−ợng ny t−ơng đ−ơng với sử dụng
   Bị nhiễm độc ở mức cao hơn sẽ có nh ững triệu chứng n−ớc nguồn ô nhiễm asen với hm l−ợng 25 50 ug /l t−ơng tự nh− ô nhiễm mạn tính qua đ−ờng miệng ở trong một đời ng−ời. mức trung bình.
   Hít thở th−ờng xuyên không khí chứa 1ug /m 3 asen có thể dẫn đến ung th− với xác suất khoảng 0.4% (4/1000). PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 2
3. Công nghệ xử lý n−ớc 2. Các công nghệ xử lý asen trong n−ớc ngầm  WHO: nồng độ giới hạn cho phép của Asen trong  Các nhóm giải pháp công nghệ chủ yếu: n−ớc cấp uống trực: 10 ug /l. • Tạo kết tủa Lắng • Keo tụ Lắng  US EPA, EU: h−ớng tới 2 20 ug/l. • Lọc  Việt Nam: nồng độ giới hạn cho phép của Asen • Hấp phụ trong n−ớc cấp: • Ôxy hoá  Ăn uống: 10 ug /l (QCVN 01:2009/BYT). • Lọc mng  Sinh hoạt, cấp n−ớc tập trung: 10 ug/l (QCVN • Oxy hoá quang năng, “ 02:2009/BYT, Giới hạn I).  Quy mô nhỏ: tập trung vo các giải pháp công nghệ đơn giản,  Sinh hoạt, cấp n−ớc tại chỗ hộ gia đình: 50 ug/l (QCVN chi phí thấp. 02:2009/BYT, Giới hạn II).  Nh ìn chung, các giải pháp tạm thời, chi phí thấp th−ờng không đáp ứng đ−ợc tiêu chuẩn của WHO (10 ppb). Cần thiết phải sử dụng nh ững giải pháp di hạn, hay sử dụng kết hợp một số công nghệ. 2.1. Tạo kết tủa Lắng lọc Cơ chế quá trinh xử lý Asen
   Nguyên tắc: tạo các chất kết tủa với các ion tan trong In solution In sand filter dung dịch. iron oxidation iron oxidation iron coagulation iron precipitation on sand
   Sắt th−ờng tồn tại trong n−ớc ngầm ở dạng Hydro arsenic oxidation arsenic oxidation cacbonat Sắt (II) ho tan. Khi gặp oxy, sẽ đ−ợc oxy hoá v tạo thnh chất kết tủa. Các hợp chất của arsenic co-precipitation arsenic co-precipitation Asen có khả năng hấp phụ lên các ““bông““ kết tủa đó (Ph−ơng pháp cộng kết tủa)
   Tách khỏi n−ớc nhờ Lắng v Lọc
   Các trạm xử lý n−ớc ngầm chứa sắt th−ờng đ−ợc thiết kế theo công nghệ lm thoáng lắng lọc. Nh ững trạm ny cũng khử đ−ợc asen m không cần dùng hoá chất keo tụ. 2.2. Keo tụ lắng lọc 2.3. lọc
   Dùng các chất keo tụ, nh− các muối của Sắt hoặc
   Vật liệu lọc thông th−ờng: cát, than antraxit, than hoạt Nhôm (phèn), chuyển Asen từ dạng tan sang dạng tính dạng hạt, không tan nhờ phản ứng hoá học, sau đó tách ra khỏi
   Vật liệu lọc rẻ tiền ở địa ph−ơng: vải, than, sơ dừa n−ớc nhờ lắng v/hoặc lọc. ép, xơ m−ớp, sỏi nhỏ,
   Có thể phải oxy hoá sơ bộ v/hoặc điều chỉnh pH.
   Xử lý cặn thải chứa arsen từ quá tr ình keo tụ?
   Phèn Sắt th−ờng cho hiệu quả xử lý cao hơn so với cùng một l−ợng phèn Nhôm, độ dao động pH cho phép lớn hơn.
   So sánh hiệu quả khử Asen với 3 loại phèn keo tụ khác nhau: FeCl 3, FeSO 4, Al 2(SO 4)3:
   FeCl 3 cho phép đạt hiệu suất loại bỏ Asen cao nhất: > 90 %. PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 3
4. Công nghệ xử lý n−ớc 2.4. Hấp phụ:
   Dùng mạt sắt (Fe hoá trị 0)
   Asen có thể đ−ợc hấp phụ lên bề mặt của các vật liệu dạng hạt, hạt sét hay vật liệu gốc xellulo nh−: Than Fe = 2000 mg/l. Hiệu suất luôn đạt > 93%. hoạt tính; than hoạt tính đ xử lý bằng một số hợp chất kim loại; các hợp chất oxyt sắt, oxyt titan, oxyt
   Sự có mặt của Sulffat lm tăng hiệu suất xử lý, trong silic; sét khoáng (caolanh, bentonite, ); boxit, khi Phosohate lại lm ức chế. hematite, felspat; nhựa tổng hợp trao đổi anion; chitin v chitosan; bone char; cát bọc một lớp oxyt sắt hoặc
   t = 12 h 3,5 ngđ. dyoxit mangan MnO 2; các vật liệu xellulo (mùn c−a, bột giấy báo), vv
   Hiệu suất xử lý t ăng nếu sử dụng các chất oxy hoá hỗ trợ quá tr ình hấp phụ asen. dùng OOxyt nhôm kim loại hoạt hoá Sử dụng mạt sắt kết hợp với cát
   Vật liệu hấp phụ có nguồn gốc từ nhôm,
   Công nghệ AsRT: Lọc với vật liệu hấp phụ bằng mạt có khả năng tách Asen ở 2 dạng tồn tại phổ biến sắt trộn lẫn với cát thạch anh. ở trong n−ớc l As (III) v As(V)
   Hệ thống bao gồm 2 cột lọc nối tiếp. (AquaBind TM , vv.) Cột thứ nhất với vật liệu lọc l Sulfat Bari v cát thạch anh.
   Nhôm hoạt hoá có tính lựa chọn cao đối với As(V). Cột thứ hai với vật liệu lọc l mạt sắt v cát thạch
   Cần tính đến khả năng hon nguyên v thay thế vật anh. liệu lọc khi sử dụng.
   Sắt bị oxy hoá, tạo môi tr−ờng thiếu khí (anoxic) đối
   Hm l−ợng sắt trong n−ớc nguồn cng cao, hiệu suất với Asen (trong điều kiện thiếu oxy). Mạt sắt (= các khử asen v chu kỳ lm việc gi ữa hai lần hon Ion sắt hoá trị 0) khử Asen vô cơ thnh dạng kết tủa nguyên cng tăng. cùng với sắt, hỗn hợp kết tủa, hay kết hợp với Sulfat
   Hạn chế: l−ợng vật liệu hấp phụ thải ra lớn: 50 200 tạo Pyrit Asen. Asen đ−ợc gi ữ lại trong cột lọc. Arsen g / m 3 n−ớc (gấp gần 10 lần so với l−ợng cặn tạo trong n−ớc sau xử lý đạt d−ới 27 ppb. thnh khi sử dụng ph−ơng pháp keo tụ bằng phèn sắt). dùng Hydroxyt sắt dùng Laterite
   Vật liệu hấp phụ: bột giấy báo có phủ một lớp
   L loại đất sét có mu đỏ, rất phổ biến ở các vùng Hydroxyt sắt (III) (Giấy báo cắt vụn đ−ợc trộn với nhiệt đới. khoáng chất Blender v nghiền nhỏ thnh bột. Sau
   Thnh phần chủ yếu của Laterite l các Hydroxyt Sắt đó trộn với hydroxyt sắt v khuấy đều, lm hydroxyt v Nhôm, hoặc các oxyt ngậm n−ớc của chúng, v sắt bám vo các sợi xellulo). một l−ợng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan.
   ở điều kiện tự nhiên, loại đất sét ny có điện tích bề
   Vật liệu phấp phụ Hydroxyt sắt dạng hạt (Driehaus, mặt d−ơng, có khả năng hấp phụ các chất bẩn mang Đức). Vật liệu ny có khả năng hấp phụ cao: điện tích âm nh− Arsenic.
   Có thể đ−a laterite trực tiếp vo n−ớc cần xử lý nh− Nồng độ arsen trong n−ớc tr−ớc xử lý 100 – 180 ppb, chất hấp phụ, sau đó để lắng, hoặc có thể sử dụng sau xử lý đạt < 10 ppb. lm vật liệu hấp phụ trong bể lọc. PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 4
5. Công nghệ xử lý n−ớc 2.5. Trao đổi Ion 2.6. Oxy hoá
   Anion axit mạnh (Cl ): chuyển gốc arsenate H2AsO 4
   Làm thoáng bằng cách sục không khí vo n−ớc, có 2 thể oxy hoá asen v sắt có trong n−ớc, tạo chất kết sang arsenate H2AsO 4 . tủa FeAsO .
   Asen sau xử lý có thể đạt d−ới 2 ppb. 4
   Lm thoáng đơn giản v lắng: Asen sẽ đ−ợc tách
   Hon nguyên: NaCl. cùng với Hydroxyt Sắt kết tủa. Hiệu suất xử lý đạt 25% đối với n−ớc ngầm chứa nhiều sắt. 2.7. Oxy hóa quang hoá
   Loại bỏ Arsenite (As(III)) v cả các chất ho tan khác nh− Sắt, Phosphorus, Sulfur, khỏi n−ớc bằng cách đ−a chất oxy hoá v chất hấp phụ quang hoá.
   Chiếu tia cực tím vo n−ớc rồi sau đó lắng.
   Chất oxy hoá có thể l oxy tinh khiết hoặc sục khí.
   Chất hấp phụ quang hoá có thể l Fe(II), Fe(III), Ca(II).
   Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời lm nguồn tia cực tím. Advantage: aeration assures oxygen saturation for
   Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng v iron oxidation ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp. Disadvantage: construction requires special material
   Do As(III) bị oxy hoá thnh As(V) với tốc độ rất chậm, and skills, higher costs có thể sử dụng các chất oxy hoá mạnh nh− Cl 2,H2O2 hoặc O3. Phần lớn chi phí xử lý chính l các chât oxy hoá ny (Khoa G.H., Emett M.T. et al, 1997). Ph−ơng pháp SORAS
   Phản ứng oxy hoá quang hoá nhờ năng l−ợng bức xạ (SORAS): oxy hoá quang hoá As(III) thnh As(V) nhờ ánh sáng mặt trời, sau đó tách As(V) ra khỏi n−ớc nhờ hấp phụ bằng các hạt Fe(III). “ Tăng c−ờng hiệu suất nhờ nhỏ thêm vi giọt chanh, giúp cho quá tr ình tạo các bông keo Fe(III).
   Hm l−ợng sắt trong n−ớc ngầm ít nhất 3 mg/l, c−ờng độ bức xạ UVA 50 Wh/m 2. PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 5
6. Công nghệ xử lý n−ớc 2.8. Ch−ng cất bằng n ăng l−ợng mặt trời
   Ph−ơng pháp ny sử dụng năng l−ợng mặt trời để lm bốc hơi n−ớc, sau đó cho n−ớc ng−ng tụ lại. Quá tr ình bay hơi v ng−ng tụ n−ớc sẽ tách tất cả các chất, trong đó có cả Asen ra khỏi n−ớc.
   áp dụng tốt ở các n−ớc vùng nhiệt đới, với nguồn năng l−ợng mặt trời sẵn có. 2.9. Lọc mng 2.10. Ph−ơng pháp sinh học
   Arsenic removal by biofilter - With Iron oxidyzing bacteria
   Có nhiều loại mng lọc đ−ợc sử dụng nh− vi lọc, thẩm thấu ng−ợc, điện thẩm tách, siêu lọc v lọc nano. PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, IESE 6