Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình: Trường hợp tại tỉnh Đắk Nông, Việt Nam

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 2 (2019) 115 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC NHIỄM ASEN PHỤC VỤ MỤC ĐÍCH SINH HOẠT QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH: TRƢỜNG HỢP TẠI TỈNH ĐẮK NÔNG, VIỆT NAM Phạm Hồng Tuân1, Trần Ái Linh2, Lê Thị Thảo Vi2, Võ Nguyễn Vinh Quang2, Trần Tuấn Việt1* 1Viện Nhiệt đới môi trường 2Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh *Email: viet.vittep@gmail.com Ngày nhận bài: 22/5/2019; ngày hoàn thành phản biện: 14/6/2019; ngày duyệt đăng: 02/7/2019 TÓM TẮT Theo kết quả khảo sát năm 2018, nguồn nước bị nhiễm Asen (As) cao hơn giới hạn cho phép của Bộ Y Tế là 10 ppb đã được phát hiện ở một số khu vực thuộc tỉnh Đắk Nông như Krông Nô, Cư Jút, Đắk Glong, Đắk Mil, Gia Nghĩa, trong số đó có mẫu nước nhiễm As lên tới trên 500 ppb. Trong nghiên cứu này, việc loại bỏ As trong nước cấp sinh hoạt được thực hiện bằng phương pháp trao đổi ion, sử dụng hạt nhựa anionit gốc ion Cl-. Mô hình thử nghiệm với mẫu nước mô phỏng tại phòng thí nghiệm có hàm lượng Asen ban đầu từ 200 ppb đến 1.000 ppb. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiệu quả loại bỏ As đạt trên 99%, hàm lượng As còn lại trong mẫu nước sau quá trình trao đổi anion thấp hơn 10 ppb với các mẫu nước có hàm lượng As ban đầu thấp hơn 600 ppb. Tốc độ lọc tối ưu nhỏ hơn 42 m/giờ. Kết quả thử nghiệm với mẫu nước ngầm thực tế chỉ cho hiệu quả mong muốn (<10 ppb) với hàm lượng đầu vào nhỏ hơn 100 ppb. Từ khóa: Asen, Đắk Nông, Trao đổi ion, Xử lý Asen. 1. MỞ ĐẦU Asen, ký hiệu hóa học As, là nguyên tố phổ biến thứ 20 có trong lớp vỏ trái đất, phổ biến thứ 14 trong nước biển và nhiều thứ 12 trong cơ thể con người [1]. Asen được phát hiện trong môi trường đất, nước, khí của rất nhiều thành phần trên thế giới dưới dạng vật chất hay hợp chất hóa học vô cơ hoặc hữu cơ [2]. Ngày nay độc chất của Asen trở thành một trong những vấn đề môi trường làm hàng triệu người trên thế giới lo lắng với việc phát hiện nồng độ quá mức có trong nước uống [3]. Asen là chất độc và chất gây ung thư, việc sử dụng nước có chứa As trong ăn uống sẽ gây tổn hại nghiêm trọng đến hệ tiêu hóa, tim mạch và hệ thần kinh trung ương. Do đó, Cơ quan Bảo vệ Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình 116 môi trường Hoa Kỳ (USEPA) đã đưa ra ngưỡng giới hạn nồng độ As tối đa trong nước sinh hoạt từ 50 đến 10 ppb [4]. Tại Việt Nam, Asen thường hiện diện trong nguồn nước ngầm, phổ biến nhất là các khu vực dọc theo châu thổ sông Hồng và lưu vực sông Mekong. Nồng độ trung bình của Asen trong nước thường cao hơn 10 ppb [5] (quy chuẩn nước ăn uống theo QCVN 01:2009/BYT và WHO). Riêng đối với địa bàn tỉnh Đắk Nông, theo khảo sát của Viện Nhiệt đới môi trường năm 2018, nồng độ As vượt ngưỡng tiêu chuẩn ăn uống (10 ppb) được phát hiện tại một số huyện như Krông Nô, Cư Jút, Đắk Glong, Đắk Mil, Gia Nghĩa, trong số đó có mẫu nước nhiễm Asen lên trên 500 ppb. As có thể được loại bỏ ra khỏi nước bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm: keo tụ với muối sắt hoặc nhôm; hấp phụ bằng than hoạt tính; trao đổi ion; lọc thẩm thấu RO và điện thẩm tích [6]. As tồn tại trong môi trường nước tự nhiên dưới hai dạng chính là Asenit (As hóa trị III) và Asenat (As hóa trị V). Nồng độ của mỗi loại As phụ thuộc nhiều vào pH và thế ôxy hóa khử. Trong hai dạng trên, As(III) có tính linh động hơn, độc tính cao hơn As(V) [7]. As hóa trị 3 thường ở dạng H3AsO3, As hóa trị 5 thường ở dạng H2AsO4- và HAsO42-. Về cơ bản, khi sử dụng hạt nhựa anionit gốc ion Cl-, ion Asen được hấp phụ lên bề mặt hạt nhựa và thay thế ion Cl- theo phản ứng [8] như sau: (1) (2) 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1. Đối tƣợng thí nghiệm Trong nghiên cứu này, thử nghiệm hiệu xuất xử lý As trong các điều kiện khác nhau được thực hiện trên mẫu pha tại phòng thí nghiệm với giải nồng độ từ 200 ppb đến 1.000 ppb bằng dung dịch chuẩn NaAsO2 0,05M (Merck) trong nền mẫu nước cấp. Sau khi xác định các thông số vận hành với hiệu suất xử lý phù hợp, mẫu nước nhiễm As tại tỉnh Đắk Nông sẽ được thử nghiệm và đánh giá hiệu quả. 2.2. Mô hình và điều kiện thí nghiệm Mô hình thử nghiệm dòng chảy liên tục được lắp đặt như Hình 1. Mẫu nước nhiễm As với các hàm lượng ban đầu muốn thử nghiệm được chứa trong bồn, bơm liên tục qua mô hình lọc bao gồm 01 cột lọc cát thạch anh để loại bỏ cặn lơ lửng không mong muốn (nếu có trong nguồn nước đầu vào) và 01 cột lọc trao đổi ion để loại bỏ As ra khỏi nước cấp. Nước sau lọc trao đổi ion được lấy và phân tích hàm lượng As còn lại TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 2 (2019) 117 trong mẫu nước. Lưu lượng nước qua mô hình thử nghiệm được điều chỉnh bằng các van điều tiết. Cột lọc cát dạng hình trụ, làm từ composite, Quy cách đương kính, chiều cao DxH=200x1.100 (mm), dung tích cát lọc 30 lít. Cột lọc trao đổi ion làm từ ống nhựa uPVC, DxH=60x700 (mm), dung tích hạt nhựa trao đổi ion 1,5 lít. Hạt nhựa trao đổi ion dùng trong nghiên cứu dạng Anionit, gốc ion Cl- (GS300, Ấn Độ). Thí nghiệm được tiến hành nhằm xác định hiệu quả loại bỏ As với các nguồn nước có nồng độ khác nhau trên các mẫu As có nồng độ 200 ppb, 400 ppb, 600 ppb, 800 ppb và 1.000 ppb; tốc độ lọc thay đổi với các mức 42 m/giờ (2 L/phút), 84 m/h (4 L/phút) và 128 m/h (6 L/phút). Hình 1. Mô hình thử nghiệm. Ghi chú: 1) Bồn chứa nước đầu vào; 2) Bơm cấp nước; 3) Lưu lượng kế; 4) Cột lọc cát; 5) Cột lọc trao đổi ion; 6) Van điều tiết lưu lượng 2.3. Phƣơng pháp lấy mẫu và phân tích Các mẫu đầu vào và đầu ra hệ thống được đựng trong chai nhựa Polyethylene. Một lượng mẫu khoảng 50 mL được cho thêm 0,05 mL a xít HNO3 (65%, Merck, Suprapur®) và bảo quản ở nhiệt độ 4oC cho tới khi phân tích. Các mẫu được phân tích Maãu nöôùc sa u loïc 1 3 56 2 4 Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình 118 tuân theo phương pháp SMEWW 3125B:2012 sử dụng hệ thống quang phổ phát xạ cao tần ghép khối phổ ICP-MS (Agilent 7700x) với giới hạn phát hiện mẫu As trong nước đạt 0,07 ppb. Hiệu suất loại bỏ As từ mô hình thủ nghiệm được tính toán theo công thức Trong đó: - Ci: Nồng độ As ban đầu (ppb) - Co: Nồng độ As còn lại trong mẫu nươc sau xử lý (ppb) 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiệu quả xử lý As trong điều kiện phòng thí nghiệm Thử nghiệm được tiến hành tại tốc độ lọc 128 m/h, hàm lượng As đầu vào tăng từ 200 ppb đến 1.000 ppb. Hiệu suất loại bỏ As trong nước được thể hiện như Hình 2. Hình 2. Hiệu suất xử lý As tương ứng với các nồng độ As ban đầu khác nhau Kết quả thử nghiệm cho thấy rõ sự ảnh hưởng của nồng độ As ban đầu đối với hiệu quả loại bỏ Asen. Hiệu suất loại bỏ As giảm từ 99,5% xuống còn 70% khi tăng nồng độ As ban đầu từ 200 ppb lên 1.000 ppb . Khi hàm lượng As đầu vào nhỏ hơn 400 ppb, hàm lượng As sau quá trình lọc đều nhỏ hơn 10 ppb (đạt tiêu chuẩn nước dùng cho ăn uống). Qua đó cũng cho thấy mối tương quan giữa tốc độ lọc và lượng Asen cần xử lý. Để đảm bảo hàm lượng Asen trong nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép, việc tính toán, lựa chọn tốc độ phù hợp với nồng độ Asen có trong nguồn nước là rất cần thiết. Tiếp theo, thử nghiệm được tiến hành với 3 tốc độ khác nhau 128m/giờ; 84m/giờ; 42m/giờ. Kết quả thử nghiệm như Hình 3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 2 (2019) 119 Hình 3. Nồng độ As trong mẫu nước sau xử lý tại các điều kiện thí nghiệm khác nhau. Nồng độ As ban đầu tăng từ 200 ppb đến 1.000 ppb. Tốc độ lọc thay đổi từ 42 m/h đến 128 m/h Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý As tăng khi giảm tốc độ lọc. Với tốc độ lọc thấp, thời gian tiếp xúc của nước với lớp hạt nhựa lâu hơn, dẫn đến hiệu quả trao đổi ion cao hơn. Khi tốc độ lọc qua lớp hạt nhựa anionit giảm xuống nhỏ hơn 84 m/giờ, hàm lượng As của mẫu nước sau lọc còn lại nhỏ hơn 10 ppb tương ứng với hàm lượng As đầu vào nhỏ hơn 600 ppb. Tuy nhiên, lượng As đầu vào tăng cao hơn 800 ppb, hàm lượng As còn lại trong mẫu nước sau lọc trao đổi ion vẫn cao hơn 10 ppb, ngay cả khi giảm tốc độ lọc giảm xuống còn 42 m/giờ. Như vậy, việc điều chỉnh tốc độ lọc trao đổi ion phù hợp với nồng độ As ban đầu là bắt buộc nhằm đảm bảo hiệu quả loại bỏ As như mong muốn. 3.2. Hiệu quả xử lý As trong nƣớc giếng tại Đắk Nông Từ kết quả khảo sát, nhóm nghiên cứu tiến hành lựa chọn 4 mẫu nước ngầm tại 4 địa điểm có nồng độ As khác nhau để tiến hành thử nghiệm, tốc độ lọc đưược cố định tại 42 m/giờ với tất cả các mẫu thử. Kết quả thử nghiệm đưược trình bày trong Hình 4. Hình 4. Hiệu suất loại bỏ As khi thử nghiệm với các mẫu nước ngầm thực tế Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình 120 Từ biểu đồ hình 4 cho thấy hiệu quả loại bỏ As trong nước ngầm thực tế kém hơn hẳn so với thử nghiệm tại phòng thí nghiệm. Với mẫu nước ngầm có nồng độ As xấp xỉ 400 ppb, hiệu suất xử lý chỉ đạt 38%, hàm lượng As đầu ra còn 245 pbb. Trong khi đó, tại thử nghiệm phòng thí nghiệm, hiệu quả loại bỏ As đạt trên 99%, As đầu ra nhỏ hơn 10 ppb. Điều này có thể được giải thích là do trong nước ngầm có tồn tại các anion khác (chẳng hạn như SO42-, HCO3-, Cl-, F-, ..), các ion âm này sẽ cạnh tranh với ion Asen trong quá trình trao đổi với ion Cl- của hạt nhựa, làm giảm hiệu quả loại bỏ As. Các mẫu thử nghiệm có nồng độ As thấp hơn 100 pbb cho kết quả như mong muốn, hàm lượng As đầu ra nhỏ hơn 10 ppb, hiệu suất xử lý đạt trên 97%. Ngoài ra, hiệu quả loại bỏ As trong nước ngầm thực tế thấp hơn so với thử nghiệm tại phòng thì nghiệm cũng có thể là do sự tác động của tác nhân ôxy hóa sẵn có trong nước. Nguồn nước máy sau quá trình xử lý được khử trùng bằng Chlorine và đây chính là tác nhân ôxy hóa đã chuyển hóa As(III) thành As(V) trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm. Trong khi đó, As tồn tại trong nước ngầm thường ở dạng As(III) nên hiệu quả xử lý thấp hơn. Qua đó cho thấy việc loại bỏ As trong nước ngầm đạt hiệu quả tốt hơn nếu kết hợp bước ôxy hóa trước khi cho qua lọc trao đổi ion [8, 9] Sự hiện diện các anion khác trong nước ngầm đã làm giảm khả năng trao đổi của hạt nhựa đối với ion Asen [8], rút ngắn chu kỳ hoàn nguyên so với tính toán lý thuyết. Do đó, việc sử dụng dung dịch NaCl để hoàn nguyên hạt nhựa anionit với chu kỳ hợp lý là rất cần thiết, nhằm đảm bảo nồng độ As rong nước sau xử lý luôn đạt tiêu chuẩn. Hoàn nguyên hạt nhựa được tiến hành trong thời gian tối thiểu 30 phút với dung dịch NaCl 3,5% - 5%. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu thử nghiệm đã cho thấy hiệu quả loại bỏ As bằng phương pháp trao đổi ion sử dụng hạt nhựa aninoit gốc ion Cl-. Tốc độ lọc qua lớp hạt nhựa nên chọn nhỏ hơn 42 m/h để đạt hiệu quả tốt. Kết quả thử nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy các mẫu nước có hàm lượng As ban đầu nhỏ hơn 600 ppb, hàm lượng As sau quá trình lọc trao đổi ion thấp hơn 10 ppb, đạt tiêu chuẩn nước cấp cho ăn uống theo tiêu chuẩn hiện hành. Kết quả thử nghiệm thực tế tại Đăk Nông cho kết quả tốt nhất (<10 ppb) với các giếng nước có nồng độ As nhỏ hơn 100 ppb. Các mẫu nước ngầm có nồng độ As cao hơn 150 ppb đều cho kết quả không đạt tiêu chuẩn, nguyên nhân có thể là do sự cạnh tranh của các anion khác như SO42-, Cl-, ..trong quá trình lọc trao đổi ion. Hoàn nguyên hạt nhựa bằng dung dịch NaCl 3% - 5% với chu kỳ hợp lý là cần thiết, nhằm đảm bảo ổn định hiệu quả xử lý As. Bên cạnh đó, việc quản lý/xử lý dòng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 2 (2019) 121 nước sử dụng để hoàn nguyên hạt nhựa anionit là rất cần thiết nhằm đảm bảo sự tái nhiễm As vào nguồn nước và các rủi ro môi trường. LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đề tài trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Đắk Nông và các cơ quan trong tỉnh đã hỗ trợ và tài trợ kinh phí cho thực hiện các thí nghiệm. Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến Viện Nhiệt đới môi trường đã tạo điều kiện cơ sở vật chất để hoàn thành nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Badal Kumar Mandal and Kazuo T Suzuki. Arsenic round the world: a review. Talanta, 2002. 58(1): p. 201-235. [2]. Jörg Matschullat. Arsenic in the geosphere—a review. Science of the Total Environment, 2000. 249(1-3): p. 297-312. [3]. Ming-Cheng Shih. An overview of arsenic removal by pressure-drivenmembrane processes. Desalination, 2005. 172(1): p. 85-97. [4]. P. Ratna Kumar, et al. Removal of arsenic from water by electrocoagulation. Chemosphere, 2004. 55(9): p. 1245-1252. [5]. Nguyen Kim Phuong and Ryuichi Itoi. Source and release mechanism of arsenic in aquifers of the Mekong Delta, Vietnam. Journal of Contaminant Hydrology, 2009. 103(1–2): p. 58-69. [6]. Dinesh Mohan and Charles U Pittman Jr. Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents—a critical review. Journal of hazardous materials, 2007. 142(1-2): p. 1-53. [7]. N Balasubramanian, et al. Removal of arsenic from aqueous solution using electrocoagulation. Journal of hazardous materials, 2009. 167(1-3): p. 966-969. [8]. E. Korngold, N. Belayev, and L. Aronov. Removal of arsenic from drinking water by anion exchangers. Desalination, 2001. 141(1): p. 81-84. [9]. Lê Văn Cát. Hấp phụ và trao đổi ion trong xử lý nước và nước thải. 2002, Hà Nội: NXB. Thống Kê. Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình 122 HOUSEHOLD SCALE WATER TREATMENT TECHNOLOGY FOR ARSENIC REMOVAL: A CASE STUDY IN DAKNONG, VIETNAM Pham Hong Tuan1, Tran Ai Linh2, Le Thi Thao Vi2, Vo Nguyen Vinh Quang2, Tran Tuan Viet1* 1Institute for Tropicalization and Environment 2Ho Chi Minh City University of Food Industry *Email: viet.vittep@gmail.com ABSTRACT According to the survey result in 2018, the high Arsenic (As) concentrations in ground water were found in some areas of Daknong province including Krongno, Cujut, Dakglong, Dakmil and Gianghia. In this study, the anion exchange technology was applied to remove arsenic from water, using anion-resin with Cl- ion. The initial arsenic concentration for experiment was from 200 ppb to 1,000 ppb. The results showed that As removal efficiency reached over 99%, the effluent As concentration was lower than 10 ppb while the initial arsenic concentration was lower than 600 ppb. The optimum flow rate was less than 42 m/h. However, the test of the local underground water indicated less than 10 ppb compared to10 ppb lower than the effluent arsenic concentration Keywords: Arsenic, Daknong, ion exchange, Arsenic removal. Phạm Hồng Tuân sinh ngày 14 tháng 4 năm 1982. Ông tốt nghiệp Đại học Nông Lâm TP. HCM, chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường vào năm 2006; Năm 2013 ông tốt nghiệp thạc sĩ tại Đại học Dankook (Hàn Quốc), chuyên ngành Công nghệ năng lượng và Môi trường. Từ năm 2008 đến nay ông là cán bộ nghiên cứu tại Viện Nhiệt đới môi trường. Lĩnh vực nghiên cứu: Công nghệ xử lý nước và nước thải. Võ Nguyễn Vinh Quang sinh ngày 27 tháng 11 năm 1982 tại TP Hồ Chí Minh. Hiện ông là học viên tại Trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường. Từ năm 2004 đến nay, ông công tác tại Tổng Công ty cấp nước Sài Gòn. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 2 (2019) 123 Trần Ái Linh sinh ngày 16 tháng 01 năm 1997 tại tỉnh Bạc Liêu. Cô là sinh viên khóa 06, ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh. Lê Thị Thảo Vi sinh ngày 24 tháng 09 năm 1997 tại tỉnh Bình Định. Cô là sinh viên khóa 06, ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP Hồ Chí Minh. Trần Tuấn Việt sinh ngày 16 tháng 11 năm 1983. Ông tốt nghiệp thạc sỹ ngành Kỹ thuật môi trường tại Đại học Dankook (Hàn Quốc) vào năm 2012. Từ năm 2015 ông làm nghiên cứu sinh về tích lũy sinh học các kim loại nặng tại Đại học Bách Khoa TP.HCM. Từ năm 2018, ông công tác tại Viện Nhiệt đới môi trường. Lĩnh vực nghiên cứu: sự tích lũy sinh học các chất ô nhiễm trong các loài nhuyễn thể hai mảnh và ứng dụng chúng vào làm sinh vật quan trắc môi trường. Công nghệ xử lý nước nhiễm Asen phục vụ mục đích sinh hoạt quy mô hộ gia đình 124