Chương 1 giới thiệu hiện trạng ô nhiễm amoni, asen và các kim loại trong nước ăn uống, sinh hoạt, tổng quan về than hoạt tính, các phương pháp biến tính than hoạt tính và tổng quan về hấp phụ và trao đổi ion. Chương 2 trình bày phương pháp thực nghiệm sử dụng trong luận án Chương 3 trình bày kết quả định lượng khả năng khử của than hoạt tính đối với một số chất oxi hóa, xác định đặc trưng của vật liệu, đánh giá khả năng hấp phụ - trao đổi ion của vật liệu biến tính, nghiên cứu xử lí asen và các chất độc hại có trong nước. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen, kim loại nặng trong nước ngầm và các nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen 1. Hiện trạng ô nhiễm amoni, asen và kim loại nặng trong nước ngầm Hiện nay, nguồn nước cung cấp cho ăn uống sinh hoạt của nước ta chủ yếu khai thác từ nước ngầm vì Việt Nam là một trong số các quốc gia có nguồn tài nguyên nước ngầm rất lớn và nguồn nước mặt ở nhiều nơi đã bị ô nhiễm, nhất là trong các khu đô thị, xung quanh các khu công nghiệp, làng nghề.
Theo số liệu thống kê năm 2015 của Cục quản lý tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường, khoảng 40% lượng nước cấp cho đô thị và gần 80% lượng nước sử dụng cho sinh hoạt ở nông thôn được khai thác từ nước ngầm [1]. Theo Báo cáo môi trường quốc gia về môi trường đô thị do Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2017 [5], cùng với ô nhiễm nguồn nước mặt tình trạng ô nhiễm, suy thoái nguồn nước ngầm đang là vấn đề đáng lo ngại, nhất là đối với các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh. Chất lượng nước ngầm ở Việt Nam đang xuất hiện tình trạng ô nhiễm cục bộ trên cả nước, trong đó amoni là một trong số các chỉ tiêu được phát hiện với hàm lượng cao hơn giới hạn cho phép so với các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm, nước sinh hoạt. Ở hai khu vực đô thị lớn Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, hàm lượng amoni quan trắc được cao hơn giới hạn cho phép nhiều lần [1].
Điển hình, một số điểm quan trắc tại phường Phú Lãm, quận Hà Đông, Hà Nội, hàm lượng amoni ghi nhận được là 70 mg/l cao hơn giá trị cho phép trong QCVN 01:2009/BYT là 23 lần hay mẫu nước ngầm ở trạm Đông Thạch (huyện Hóc Môn) bị ô nhiễm amoni cao hơn nhiều lần mức cho phép (68,73 mg/l) [1]. Ngoài ra, hàm lượng amoni trong nước ngầm ở cả tầng nông và tầng sâu khảo sát được tại các tỉnh trung du, đồng bằng Bắc Bộ vượt ngưỡng cho phép nhiều lần. Các điểm quan trắc phát hiện hàm lượng amoni cao nhất ở miền Bắc thuộc các tỉnh Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nam, Thái Bình, Nam Định. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Hà Nam đều ở mức đáng báo động, chẳng hạn ở Lý Nhân, Duy Tiên có mẫu nước với hàm lượng amoni tương ứng lên đến 111,8 và 93,6 mg/l (gấp 74 lần và 63 lần so với QCVN 01:2009/BYT).
Chỉ có khu vực Tây Nguyên, nguồn 5 nước ngầm chưa có dấu hiệu ô nhiễm còn lại hầu như các địa phương khác trên cả nước đều phát hiện thấy sự ô nhiễm nguồn nước ngầm ở các mức độ khác nhau. Ngoài chỉ tiêu ô nhiễm amoni trải rộng trên toàn quốc thì một số khu vực đô thị đã và đang xảy ra hiện tượng ô nhiễm cục bộ asen, kim loại nặng như Pb, Fe, Mn trong nước ngầm. Theo thống kê của Bộ Y tế năm 2017 [6], cả nước có 17 triệu người dân (ước khoảng 21,5% dân số) sử dụng nước bị nhiễm asen do dùng nước từ giếng khoan chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe. Cả nước có hơn 4 triệu giếng khoan, trong đó nhiều giếng có nồng độ asen cao hơn 20 - 50 lần giới hạn cho phép (0,01 mg/l) [6].
Ô nhiễm asen trong nước tập trung tại một số vùng nông thôn các tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hà Nam, Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hoá. Có 3/4 số hộ dân được điều tra tại 8 tỉnh Đồng bằng sông Hồng bị nhiễm asen cao hơn nhiều mức cho phép, trong đó tỉnh Hà Nam nhiễm cao nhất với 50/160 xã (chiếm 43%) có nguồn nước bị nhiễm asen. Tính riêng thành phố Hà Nội, theo đánh giá của tổ chức UNICEF, khu vực nông thôn của Hà Nội như: Thường Tín, Ứng Hoà, Đan Phượng, Thanh Oai, Thanh Trì, nguồn nước ngầm bị nhiễm asen rất nặng. Kết quả khảo sát nồng độ asen trong nước ngầm tại 345 mẫu trên địa bàn thành phố Hà Nội cho thấy có 338/345 mẫu nước (97,97%) có hàm lượng asen cao từ 2 - 50 lần so với qui chuẩn cho phép.
Sự ô nhiễm asen ở miền Bắc phổ biến và cao hơn miền Nam, ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan ở Long An, Đồng Tháp và An Giang có nồng độ asen cao hơn qui chuẩn cho phép. Ở Thành phố Hồ Chí Minh [7], các mẫu nước kiểm tra tại 3 nhà máy nước lớn nhất gồm Thủ Đức, Bình Chánh và Phong Phú đều phát hiện lượng Mn, Fe cũng cao hơn mức cho phép. Người dân và chính quyền các địa phương đã có một số giải pháp như sử dụng bể lọc cát, cải tạo đường ống cấp nước sạch, tuy nhiên tình trạng nước ngầm nhiễm asen vẫn chưa được giải quyết triệt để. Hiện nay, tổng công suất nước cung cấp trên địa bàn thành phố Hà Nội đạt khoảng 1.145 m3/ngày, trong đó nguồn nước ngầm khoảng 629.
Khảo sát hiện trạng cấp nước tại các giếng ngầm tại các quận: Hai Bà Trưng, Ba Đình, Hà Đông, Thanh Xuân, Tây Hồ, Hoàng Mai, Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm có hàm lượng sắt cao. Các giếng ở các quận: Hai Bà Trưng, Ba Đình, Thanh Xuân, 6 Long Biên có hàm lượng mangan cao. Đặc biệt, các giếng tại các quận ở phía Nam và Đông Nam thành phố thuộc các nhà máy nước: Pháp Vân, Hạ Đình, Tương Mai có hàm lượng amoni rất cao và bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Chất lượng nước tại các trạm xử lý nước Pháp Vân, có hàm lượng amoni > 11,3 mg-N/l, trạm xử lý nước Tương Mai, Hạ Đình và các trạm xử lý nước nông thôn khu vực phía Nam như trạm Thường Tín, Phú Xuyên có hàm lượng amoni từ 3 - 11,3 mg-N/l.
Trong đó chỉ có các trạm cấp nước như Lương Yên, Ngô Sĩ Liên, Mai Dịch, Ngọc Hà, Yên Phụ có hàm lượng amoni < 2,3 mg-N/l đã đạt QCVN 01/BYT nên không cần xử lý amoni. Nguyên nhân ô nhiễm amoni, asen trong nước ngầm là do nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo. Do cấu tạo tự nhiên của địa chất, nhiều vùng của nước ta nước ngầm bị nhiễm amoni, điển hình là hai vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng và sông Mekong. Tầng khai thác nước ngầm có chứa các hạt than bùn, bùn đất có lẫn chất hữu cơ, bùn đất chứa chất hữu cơ bị phân hủy sẽ giải phóng ra các hợp chất nitơ.
Asen là một nguyên tố tự nhiên nằm trong lớp vỏ trầm tích của trái đất (đặc biệt là lớp trầm tích của các vùng Đồng bằng sông Hồng có hàm lượng asen rất cao) được giải phóng và hoà tan vào nguồn nước [9]. Nguồn gốc nhân tạo do các hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón hữu cơ, thuốc trừ sâu, hóa chất, hoạt động của các ngành công nghiệp như: dầu mỏ, luyện kim, nhiệt điện. cũng như nước thải sinh hoạt không được xử lí triệt để và hoạt động của các khu công nghiệp xâm nhập vào các tầng chứa nước. Các nghiên cứu, ứng dụng trong nước về xử lí amoni, asen trong nước ngầm 1.
Các nghiên cứu, ứng dụng xử lí amoni trong nước ngầm Amoni không ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người tuy nhiên khi có mặt của oxi thì amoni sẽ chuyển thành NO2 và NO3 là những chất độc hại cho con người. Khi vào cơ thể sẽ chuyển thành các hợp chất dạng nitrosamin có khả năng gây ung thư cho con người. Ngoài ra, NO2- có thể gây ra hội chứng xanh xao ở trẻ em do NO2- phản ứng với huyết sắc tố mang O2, làm giảm khả năng mang oxi trong máu và có khả năng gây tử vong. 7 Hiện nay phần lớn các nhà máy nước hiện có của nước ta đang sử dụng dây chuyền công nghệ xử lý nước truyền thống gồm có làm thoáng, lắng, lọc và khử trùng bằng clo.
Với dây chuyền công nghệ xử lý nước đang sử dụng, hiệu quả xử lý nitơ trong nước ngầm rất thấp, đặc biệt ở những nơi nước ngầm chứa amoni và sắt với nồng độ cao vì vậy lượng amoni có trong nước máy ở một số khu vực của Hà Nội vượt quá mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam và tổ chức y tế thế giới. Mặt khác, một số nơi sử dụng trực tiếp nước ngầm từ các giếng khoan nhiễm amoni, asen mà không qua biện pháp xử lí nào hoặc chỉ qua công đoạn lọc cát. Nhận thức đươc sự nguy hiểm tiềm tàng của amoni trong nước ăn uống nên các nhà khoa học trong nước cũng đưa ra nhiều giải pháp nhằm giải quyết vấn đề này. Các nghiên cứu, ứng dụng trong nước chủ yếu tập trung vào các nhóm phương pháp sinh học, hấp phụ và trao đổi ion.
Đối với phương pháp xử lí amoni bằng phương pháp trao đổi ion, nhóm tác giả Nguyễn Xuân Hiển, Cao Xuân Mai [10] thực hiện đề tài nghiên cứu xử lý amoni trong nước ngầm ứng dụng kỹ thuật trao đổi ion trên vật liệu trao đổi ion là nhựa cationit. Nhựa trao đổi cationit là loại C100, khảo sát NH4+ đầu vào trong khoảng từ 10 – 50 mg/l với thời gian cân bằng là 60 phút trong điều kiện tĩnh. Khi nghiên cứu trên cột, tốc độ dòng vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100. Tuy nhiên, nồng độ amoni đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xử lý amoni trong cột.
Chiều cao tầng chuyển khối trong cột phụ thuộc rất lớn vào tốc độ dòng chảy, tốc độ dòng càng tăng thì chiều cao tầng chuyển khối càng tăng. Độ cứng trong nước đầu vào ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý amoni của nhựa cationit C100, độ chọn lọc của nhựa cationit C100 đối với ion Ca2+ cao hơn ion NH4+. Khi nồng độ amoni đầu vào tăng thì chiều cao tầng chuyển khối tăng và dung lượng hoạt động tổng của nhựa đối với ion amoni và ion canxi ít thay đổi (dao động trong khoảng 1,1 mg đương lượng/l đến 1,14 mg đương lượng/l).