Đặt vấn đề Chất lƣợng nƣớc sông Hậu trong những năm gần đây bị suy giảm nghiêm trọng bởi ô nhiễm hữu cơ và vi sinh. Theo báo cáo hiện trạng môi trƣờng Quốc gia năm 2012, ô nhiễm hữu cơ và vi sinh là những vấn đề môi trƣờng đƣợc quan tâm tại lƣu vực sông Hậu, cụ thể, trên phân nhánh sông Hậu thuộc tỉnh An Giang, trong năm 2012, hàm lƣợng CODMn vƣợt 1,07÷24 lần và Coliforms vƣợt 1,4 ÷ 420 lần so với cột A1, QCVN 08:2008/BTNMT [1]. Với nguồn nƣớc mặt chứa nhiều chất hữu cơ và Coliforms, sức khỏe cộng đồng sử dụng nguồn nƣớc bị ảnh hƣởng nghiêm trọng. Trong bối cảnh ô nhiễm đó, việc cấp nƣớc ở nông thôn, đặc biệt là đồng bằng sông Cửu Long lại gặp nhiều khó khăn do đặc điểm dân cƣ phân tán, khó tiếp cận hệ thống cung cấp nƣớc sạch.
Do đó, tình trạng thiếu nƣớc sạch vẫn diễn ra ở các vùng sâu, vùng xa. Trong hệ thống cấp nƣớc vùng nông thôn thuộc đồng bằng sông Cửu Long hiện nay, Clo thƣờng đƣợc sử dụng để khử trùng nƣớc. Điều này thƣờng dẫn đến việc hình thành THM độc hại khi chất hữu cơ có trong nƣớc kết hợp với dƣ lƣợng Clo còn lại sau quá trình xử lý. Bên cạnh đó, với đặc điểm địa hình, đồng bằng sông Cửu Long thƣờng xuyên bị lũ lụt.
Vào mùa lũ, nhiều vùng bị cô lập, các hệ thống phân phối nƣớc sạch thƣờng bị vô hiệu hóa. Thậm chí, trong trƣờng hợp cấp nƣớc khẩn cấp, việc vận hành hệ thống xử lý nƣớc bao gồm keo tụ, lắng, lọc, khử trùng không thể đáp ứng về mặt thời gian. Trƣớc tình hình đó, cần tìm kiếm một loại hóa chất đơn giản, dễ sử dụng, không hình thành sản phẩm phụ độc hại, thời gian xử lý nƣớc nhanh chóng nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng nƣớc đầu ra. Ferrate (Fe (VI)) là hóa chất xử lý nƣớc đa tác dụng, vừa có khả năng oxi hóa mạnh vừa là tác nhân keo tụ, khi số oxi hóa giảm từ Fe (VI) xuống Fe (III) trong quá trình oxi hóa.
Khử trùng nƣớc bằng ferrate lần đầu tiên đƣợc nghiên cứu vào năm 1974, kể từ đó, các nghiên cứu về vai trò khử trùng, oxi hóa và keo tụ đƣợc thực hiện nhiều hơn, kết quả cho thấy việc sử dụng ferrate để oxi hóa chất hữu cơ và khử trùng có nhiều ƣu điểm hơn so với công nghệ truyền thống. Cụ thể, trong Ngô Thúy An Trang 1 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 các nghiên cứu trên nƣớc tổng hợp trƣớc đây, ferrate đƣợc xem nhƣ hóa chất xử lý nƣớc hứa hẹn khi cho hiệu suất loại Coliforms đạt 100%, ở liều thấp 5 mgFe/L, tại pH 6 [4] hay đạt 99,9% ở liều 4 mgFe/L, tại pH 7. Kết quả này cao hơn nhiều lần so với hóa chất khử trùng truyền thống nhƣ Clo xét trong điều kiện thí nghiệm. Đồng thời, khả năng loại bỏ chất hữu cơ bằng ferrate cao hơn phèn nhôm (aluminium sulphate (Al2(SO4)3) từ 15 – 25% [6].
Đặc biệt, ferrate có khả năng oxi hóa cùng lúc chất hữu cơ và khử trùng nên không hình thành các DBP nhƣ THM, HAA độc hại. Bên cạnh đó, với khả năng keo tụ, nên không cần sử dụng thêm các hóa chất keo tụ khác, tạo nên lợi thế về mặt kinh tế cho xử lý nƣớc cấp. Tuy ferrate có nhiều ƣu điểm trong xử lý nƣớc nhƣng những phát hiện đó vẫn chƣa đƣợc áp dụng rộng rãi do thiếu nghiên cứu có hệ thống, chứng minh đầy đủ những khả năng và lợi thế trong xử lý nƣớc cấp tự nhiên. Trong tƣơng lai, nghiên cứu ứng dụng ferrate trong xử lý nƣớc cấp, phù hợp với chất lƣợng nƣớc tại địa phƣơng cần đƣợc quan tâm, đặc biệt là vùng nông thôn Việt Nam nhƣ đồng bằng sông Cửu Long.
Từ những thực tế đó, đề tài “Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ và khử trùng nƣớc mặt (sông Hậu) bằng ferrate” đƣợc tiến hành nhằm thử nghiệm khả năng xử lý chất hữu cơ và vi sinh bằng ferrate. Phƣơng pháp này hứa hẹn tạo ra đột phá cho quá trình xử lý nƣớc cấp hiện nay. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài bao gồm: 1. Đánh giá khả năng khử trùng nƣớc mặt (sông Hậu) theo mùa (trong và ngoài mùa lũ) bằng ferrate.
Đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ (sông Hậu) theo mùa (trong và ngoài mùa lũ) bằng ferrate. So sánh khả năng xử lý chất hữu cơ, khử trùng và keo tụ bằng ferrate trên nguồn nƣớc này với chất keo tụ phổ biến là phèn nhôm. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần chính nhƣ sau: Ngô Thúy An Trang 2 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 1. Thí nghiệm xử lý nƣớc mặt sông Hậu bằng ferrate theo 2 mùa: mùa lũ và sau mùa lũ.
Thí nghiệm xử lý nƣớc mặt sông Hậu bằng phèn nhôm theo 2 mùa: mùa lũ và sau mùa lũ. Thí nghiệm tối ƣu. Thí nghiệm ở các pH và liều lƣợng hóa chất tối ƣu nhằm kiểm tra hàm lƣợng: Độ đục, độ màu, sắt tổng, CODMn và Coliforms còn lại sau xử lý với QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT. Bên cạnh đó, so sánh chỉ số SVI giữa ferrate và phèn nhôm.
Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu tập trung vào: Nguồn nƣớc thô sông Hậu (Mẫu nƣớc lấy tại: khu vực thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang) trong và ngoài mùa lũ. Hóa chất: Ferrate, phèn nhôm. Trong đó, ferrate đƣợc điều chế bằng phƣơng pháp oxi hóa ƣớt tại phòng thí nghiệm Đại học An Giang. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đƣợc giới hạn nhƣ sau: Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong thời gian 15 tháng, bắt đầu từ tháng 4/2014 đến tháng 6/2015.
Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên mô hình quy mô phòng thí nghiệm. Mẫu nƣớc đầu vào cho các thí nghiệm là mẫu nƣớc thực đƣợc lấy sông Hậu (lấy mẫu tại thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang) trong mùa lũ (tháng 9 – 10 năm 2014) và ngoài mùa lũ (tháng 2 – 3 năm 2015). Các thí nghiệm chỉ khảo sát ảnh hƣởng của các giá trị pH và liều lƣợng ferrate khác nhau lên hiệu quả xử lý chất hữu cơ (thông qua thông số CODMn), khử trùng (thông qua chỉ tiêu Coliforms tổng), hàm lƣợng sắt tổng sau phản ứng, độ đục, độ màu, SS và UV254 trong nƣớc. Thí nghiệm không khảo sát ảnh hƣởng của thời gian phản ứng đến hiệu suất quá trình (yếu tố này đƣợc giữ cố định trong suốt thời gian thí nghiệm).
Ngô Thúy An Trang 3 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 1. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp hồi cứu: Tổng quan về ferrate; tổng quan quá trình oxi hóa chất hữu cơ và quá trình khử trùng bằng công nghệ truyền thống và bằng ferrate. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm trên mô hình theo mẻ ở quy mô phòng thí nghiệm và lấy mẫu phân tích. Phƣơng pháp phân tích: Phân tích các chỉ tiêu: pH, độ đục, độ màu, SS, UV254, CODMn, Fe tổng và Coliforms tổng theo TCVN hoặc theo “Standard methods for the examination of water and wastewater”.
Phƣơng pháp xử lý số liệu: Thu thập, thống kê số liệu, vẽ đồ thị, bảng biểu và tổng hợp báo cáo. Tính mới của đề tài Nghiên cứu oxi hóa chất hữu cơ và khử trùng trong nƣớc mặt bằng ferrate là một hƣớng đi mới hứa hẹn nhiều lợi ích trong ngành xử lý nƣớc cấp. Tuy nhiên, trên thế giới có rất ít nghiên cứu về khả năng oxi hóa chất hữu cơ và khử trùng với nƣớc tự nhiên. Tại Việt Nam, vẫn chƣa có nghiên cứu tƣơng tự cho vấn đề này.
Ngô Thúy An Trang 4 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 CHƢƠNG 2: TỒNG QUAN 2. Tổng quan về ferrate Ferrate đƣợc xem nhƣ là hóa chất “xanh” dùng để thay thế cho các hóa chất truyền thống trong xử lý nƣớc vì tính thân thiện môi trƣờng của nó. Mặc dù là chất oxi mạnh hơn cả ozone [5] nhƣng ferrate lại không sinh ra sản phẩm phụ độc hại. Sản phẩm phụ của ferrate là ferric (Fe3+) có khả năng keo tụ tốt, đáp ứng chức năng kép vừa oxi hóa vừa keo tụ.
Mặt khác, ferrate có thể hoạt động hiệu quả ở nồng độ thấp, giúp giảm chi phí vận hành và không gian diện tích. Vì vậy, ferrate là một giải pháp tiềm năng so với các hóa chất xử lý nƣớc hiện tại. Đặc tính hóa, lý Ferrate là muối sắt hóa trị 6 (R.FeO4 trong đó R là kim loại kiềm). Và kim loại kiềm phổ biến nhất trong nhóm này là kali, hình thành nên dẫn xuất K2FeO4.
Kali ferrate là một hợp chất màu tím ổn định trong không khí ẩm. Trong nƣớc, ion FeO42- là một đơn phân có 4 liên kết cộng hóa trị với oxi [5].1: Cấu trúc kali ferrate. K2FeO4 hầu nhƣ không tan trong dung dịch hữu cơ, lơ lững trong benzen và phân hủy chậm trong chloroform nhƣng tan nhanh trong nƣớc. Trong môi trƣờng axit mạnh, số oxi hóa của ferrate (Fe6+) giảm nhanh chóng và tỏa nhiệt thành Fe3+.
Nhƣng trong môi trƣờng có pH 10, số oxi hóa của Fe6+ rất chậm biến đổi. Với môi trƣờng kiềm mạnh (3M hoặc cao hơn) Fe6+ tƣơng đối ổn định [7]. Sự chuyển hóa của ferrate trong môi trƣờng nƣớc nhƣ sau: Trong môi trƣờng axit: FeO42- + 8H+ + 3e Fe3+ + 4H2O E=2.2V Ngô Thúy An Trang 5 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 Trong môi trƣờng trung tính hoặc bazơ yếu: FeO42- + 4H2O + 3e Fe(OH)3 + 5OH- E=0.72V Tốc độ phân hủy của Ferrate phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ ban đầu ferrate, các ion cùng tồn tại, độ pH và nhiệt độ của dung dịch [5].2 cho thấy tốc độ phân hủy của kali ferrate theo thời gian phụ thuộc rất lớn vào độ pH của môi trƣờng. Trong thời gian 2h, kali ferrate chậm phân hủy trong KOH 6M.
Tuy nhiên, trong KOH 3M, nồng độ kali ferrate giảm rất nhanh, từ nồng độ ban đầu là 95% giảm còn 20% sau 2h.2: Ảnh hưởng của pH lên tính ổn định của dung dịch K2FeO4 0.01 M Bằng cách nhận một hay nhiều điện tử Fe6+ biến thành các dạng không ổn định nhƣ Fe5+ và Fe4+ hoặc dạng ổn định Fe3+. Sự tƣơng tác với điện từ hoặc bức xạ, với năng lƣợng của gốc hydroxyl, với các hợp chất nhƣ format (CO2-), rƣợu (RCHOH), axit amin (AA’), axit cacboxylic (RCHCOOH) sẽ biến Fe6+ thành Fe5+ [7]. FeO42- + eaq- FeO43- FeO42- + CO2*- FeO43- + CO2 FeO42- + CH3CHOH FeO43- + CH3CHO + H+ FeO42- + AA*/RCHCOOH FeO43- + sản phẩm Ngô Thúy An Trang 6 MSHV: 12250595 Luận văn cao học Năm 2015 Fe5+ đƣợc chứng minh là một chất oxi hóa mạnh hơn Fe6+ và phản ứng với các hợp chất nhanh hơn Fe6+. Phản ứng của Fe5+ với các hợp chất hữu cơ mang tính chọn lọc [8].
