Đặt vấn đề Ở Việt Nam, sau nhiều năm thực hiện nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, nước ngầm được sử dụng và trở thành nguồn nước sinh hoạt chính của nhiều cộng đồng dân cư. Theo báo cáo của Tổng cục môi trường, hiện nay có khoảng 13 triệu người (chiếm khoảng 16,5% tổng dân số) khai thác và sử dụng nguồn nước này. Chất lượng nước ngầm thường ổn định hơn chất lượng nước bề mặt. Trong nước ngầm, hầu như không có các hạt keo hay cặn lơ lửng, các chỉ tiêu vi sinh trong nước ngầm cũng tốt hơn so với nguồn nước khác.
Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu đã cho thấy nguồn nước ngầm có chứa hàm lượng các chất asen, sắt, mangan, amoni, clo, v. cao hơn quy chuẩn cho phép trong nước ăn uống. Đặc biệt là asen, sự tích luỹ asen vào cơ thể trong thời gian dài kể cả ở hàm lượng thấp cũng gây nên nhiều tác hại cho sức khoẻ. Phần lớn sự nhiễm độc asen thông qua việc sử dụng nguồn nước, lương thực, thực phẩm ở những vùng đất, nước, không khí nhiễm asen.
Khi bị nhiễm độc asen thì sẽ gây ra sự thay đổi sắc tố da, hình thành các vết cứng trên da, ung thư da, ung thư phổi, ung thư thận và bàng quang, cũng như có thể dẫn tới hoại tử thậm chí có thể tử vong. Đáng lo ngại là hiện nay chưa có biện pháp hiệu quả để điều trị những căn bệnh nguy hiểm này. Hơn nữa, phần lớn dân số ở nông thôn đang sử dụng trực tiếp nước ngầm (giếng khoan) để phục vụ cho sinh hoạt mà không qua xử lý hoặc chỉ được xử lý đơn giản để loại bỏ asen nếu có. Theo khảo sát tổ chức UNCIEF tại Việt Nam hiện nay, số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với thạch tín lên tới 10 triệu người.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy vùng châu thổ sông Hồng có nhiều giếng khoan có hàm lượng asen vượt quá tiêu chuẩn cho phép của Tổ chức Y tế Thế giới cũng như tiêu chuẩn Việt Nam. Những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là 2 Hà Nam, Hà Nội, Hà Tây (cũ), Nam Định, Ninh Bình. Mức độ ô nhiễm asen ở tỉnh Hà Nam là cao nhất so với cả nước (50,2% số giếng khoan ở Hà Nam có nồng độ asen trên 0,05 mg/l). Tuy nhiên tại các vùng nông thôn thì công nghệ xử lý nước theo kiểu truyền thống vẫn lạc hậu, đơn giản như sử dụng bể lọc cát, đá sỏi, bể chứa nước mưa nên người dân vẫn phải sử dụng nguồn nước ăn uống không đảm bảo chất lượng.
Khi mà mạng lưới nước sạch còn chưa được phân bố rộng khắp nhằm đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân. Tại xã Tràng An, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam là một trong những xã có nộng độ asen cao nhưng chưa có biện pháp xử lý triệt để, chỉ có thể xử lý đơn giản để loại bỏ asen, người dân hàng ngày vẫn đang phải sử dụng nước nhiễm asen. Như vậy, nguồn nước ngầm tại xã Tràng An đang ngày càng ô nhiễm asen nghiêm trọng, nếu tiếp tục kéo dài tình trạng này sẽ gây ảnh hưởng xấu tới sức khoẻ người dân. Do đó, cần tìm phương án giải quyết.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Môi trường - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, cùng với sự hướng dẫn của thầy giáo ThS. Nguyễn Duy Hải, em đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu biện pháp xử lý Asen trong nước ngầm bằng mô hình bể lọc chậm tại xã Tràng An, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam ” 1. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Khảo sát hiện trạng ô nhiễm asen trong nước ngầm tại xã Tràng An, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam. - Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của mô hình bể lọc chậm bằng các loại vật liệu lọc: Sỏi cuội, cát thạch anh, than hoạt tính sau khi xử lý nước nhiễm asen.
Yêu cầu của đề tài - Xây dựng mô hình thí nghiệm xử lý asen trong nước ngầm bằng bể lọc chậm. - Lấy mẫu, phân tích hàm lượng asen trong nước ngầm đầu vào và nước sau khi qua hệ thống thí nghiệm. 3 - So sánh, đánh giá kết quả phân tích hàm lượng asen trong nước ngầm trước và sau xử lý, đưa ra được hiệu suất xử lý. - Đánh giá hiệu suất xử lý asen trong nước ngầm bằng các vật liệu, thời gian khác lọc nhau.
- Các kết quả phân tích asen phải được so sánh với QCVN 01:2009/BYT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống. - Thông tin và số liệu thu thập được phải đảm bảo tính chính xác, trung thực, khách quan. - Giải pháp kiến nghị đưa ra phải thực tế và khả thi. Ý nghĩa của đề tài 1.
Ý nghĩa trong học tập Nghiên cứu đề tài giúp chúng ta thu thập được những kinh nghiệm và kiến thức thực tế, củng cố và hoàn thiện kiến thức đã học, biết cách thực hiện một đề tài nghiên cứu khoa học và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Ý nghĩa trong thực tiễn Ứng dụng kiến thức đã học, xây dựng và áp dụng thành công các mô hình xử lý nguồn nước ngầm bị nhiễm asen phục vụ cho nhu cầu cấp thiết hiện nay của các hộ gia đình. Giúp người dân thấy được hiện trạng môi trường nước đang bị ô nhiễm từ đó nâng cao ý thức, trách nhiệm của mình đối với môi trường xung quanh. 4 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Cơ sở khoa học về đề đài 2. Tổng quan về asen a. Nguồn gốc của asen Trong tự nhiên asen có trong nhiều loại khoáng vật như Realgar (As4S4), Orpoment (As2S3), Arsenolite (As2O3), Arsenopyrite (FeAsS)… Trong nước asen thường ở dạng asenit hoặc asenat (AsO3-3, AsO3-4). Các hợp chất asen methyl có trong môi trường do chuyển hóa sinh học.
Asen là một nguyên tố không chỉ có trong nước mà còn có trong không khí, đất, thực phẩm và có thể xâm nhập vào cơ thể con người, nguyên nhân chủ yếu khiến nước ngầm ở nhiều vùng thuộc nước ta nhiễm asen là do cấu tạo địa chất. Trong công nghiệp, asen có trong ngành luyện kim, xử lý quặng, sản xuất thuốc bảo vệ thực vật, thuộc da. Asen thường có mặt trong thuốc trừ sâu, diệt nấm, diệt cỏ dại. Ngoài ra, những khu vực dân cư tự động đào và lấp giếng không đúng tiêu chuẩn kỹ thuật khiến chất bẩn, độc hại bị thẩm thấu xuống mạch nước ngầm.
Cũng như việc khai thác nước ngầm quá lớn làm cho mực nước trong các giếng hạ xuống khiến cho khí oxy đi vào địa tầng và gây ra phản ứng hóa học tạo ra asen từ quặng pyrite trong đất và nước ngầm nông, ở mức nước ngầm sâu thì không phát hiện được. Các quá trình sinh - địa - hóa: Sự phân bố rộng rãi của nguyên tố asen được bắt đầu từ quá trình địa hóa. Điều này có nghĩa nồng độ của asen gia tăng khi càng xuống sâu dưới các tầng đất hoặc mạch nước ngầm. Hai môi trường có khả năng tích tụ nồng độ asen cao đó là tại khu vực vũng, vịnh cạn ở miền khí hậu khô hạn đến bán khô hạn và tại những tầng 5 nước ngầm có tính khử mạnh, thường gặp ở vùng chứa nhiều lắng cặn phù sa nhiều sulphat.
Các tầng lớp lắng cặn mỏng ở địa vực thấp, nơi có độ nghiêng thủy vực thấp, là khu vực đặc trưng chứa nhiều asen trong mạch nước ngầm. Các tầng nước ngầm có nồng độ asen cao thường ở độ sâu từ 20 m đến 120 m. Ở 20 m, cấu trúc địa chất chứa nhiều đất sét pha cát trộn lẫn với kankar. Xuống đến độ sâu 120 m, đất mịn pha sét có thể chứa nồng độ asen lên đến 550 mg/l.
Ở dưới tầng đất ngầm, asen thường xuất hiện nhiều trong các hỗn hợp khoáng tạo đá (ví dụ: oxit sắt, đất sét, hoặc các hỗn hợp khoáng sulphide). Rất nhiều asen bị kết dính trong các hỗn hợp khoáng pyrite ở lưu vực phù sa. Đáng chú ý là trong quá trình bơm nước lên từ những khu vực giếng sâu làm hạ thấp mực nước ngầm, oxy theo đó sẽ xâm nhập vào thúc đẩy quá trình oxy hóa khoáng pyrite. Quy trình phản ứng oxy-hóa khoáng pyrite cũng đồng nghĩa với việc giải phóng nguyên tố asen vào môi trường nước (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1].
Càng xuống sâu dưới các tầng địa chất của một số địa vực đã nêu, nồng độ asen cao hơn. Ở trong những tầng địa chất này, phản ứng oxy hóa đối với khoáng chất sunfua diễn ra càng mạnh. Vì thế, giải phóng một lượng asen lớn hơn. Ở môi trường có độ ẩm càng cao, các hỗn hợp khoáng sunfua tham gia vào quá trình phong hóa càng nhanh hơn.
Khoáng pyrite là một trong những điển hình của hỗn hợp khoáng kém ổn định nhất trong quá trình. Quy trình các phản ứng oxy hóa diễn ra: + Ở dạng ion: FeAsS + O2 + H2O → H2AsO4- + H3AsO3 + SO42- + H+ + FeOOH + Ở dạng hoàn chỉnh: FeAsS + O2 + H2O → H3AsO4 + H3AsO3 + H2SO4 + FeOOH 6 b. Tính chất hoá lý của asen * Tính chất vật lý Asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong nước (ngay cả ở hàm lượng có thể gây chết người), khó phân huỷ. Asen là nguyên tố phổ biến thứ 20 trong các nguyên tố có trên bề mặt trái đất.
Hàm lượng trung bình từ 1,5 – 2 mg/kg (Lê Huy Bá, 2009) [2]. Theo từ điển Bách khoa được xuất bản năm 1999, thạch tín là tên gọi thông dụng chỉ nguyên tố asen, nhưng đồng thời dùng chỉ hợp chất oxit của asen hóa trị III (As2O3). Oxit này màu trắng, dạng bột, tan được trong nước và rất độc. Asen là nguyên tố số 33 trong bảng tuần hoàn hoá học Menđeleep, có tên tiếng anh là arsenic, kí hiệu là As.
Asen có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong các hợp chất vô cơ và hữu cơ với bốn mức hoá trị là - 3, 0, + 3 và + 5 trong đó các hợp chất chứa As(III) và As(V) là quan trọng nhất. Nó được xem như một dạng phi kim, hay được gọi á kim. Nó mang nhiều độc tính tương tư một số kim loại nặng như chì và thủy ngân. Khối lượng phân tử 74,9216 g/mol, không hòa tan trong nước.
Vỏ trái đất chỉ chứa một hàm lượng nhỏ thạch tín (0,0001 %); tuy nhiên nó lại phân bố rộng rãi trong tự nhiên. Trong tự nhiên, nguyên tố asen tồn tại ở dạng nguyên chất với ba thù hình (dạng alpha có màu vàng, dạng beta có màu đen, dạng gama có màu xám).