Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Cơ sở lí luận Để loại bỏ asen trong nước ngầm có thể ứng dụng nhiều phương pháp như keo tụ, kết tủa, hấp phụ, lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách…. Tuy nhiên hầu hết các công nghệ này chỉ áp dụng với hệ xử lý công suất lớn, chỉ có ít công nghệ có thể áp dụng ở cộng đồng nhỏ và hộ gia đình.
Ở Việt Nam, phần lớn dân số dùng nước giếng khoan với quy mô hộ gia đình. Nồng độ sắt trong nước ngầm tương đối cao khoảng từ 1 - 30 mg/l. Kết quả nghiên cứu còn cho thấy asen thường xuất hiện đồng thời với nơi nồng độ sắt cao. Vì vậy, chúng ta hoàn toàn có thể kết hợp xử lý asen cùng với quá trình xử lý sắt và mangan bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi sinh vật oxy hoá sắt và mangan.
Sắt trong nước thường tồn tại dưới dạng sắt (II), dưới tác dụng của các vi sinh vật oxy hoá sắt bản địa sẽ chuyển hoá thành sắt (III) kết tủa tạo thành những chất keo bám vào bề mặt các hạt cát và tạo thành các hạt keo tụ. Asen trong nước sẽ bám vào bề mặt các hạt keo tụ này và bị loại ra khỏi nước. Vận dụng nguyên lý đó, chúng tôi đã nghiên cứu khả năng xử lý asen trong nước ngầm bằng phương pháp lọc sinh học sử dụng vi sinh vật oxy hoá sắt và mangan, một nguyên tố rất phổ biến trong nước ngầm ở Việt Nam. Nhằm mục đích phát triển các công nghệ xử lý asen trong nước sinh hoạt quy mô hộ gia đình với mục tiêu: các công nghệ xử lý này cần đơn giản, chi phí đầu tư thấp, giá thành rẻ, dễ vận hành và bảo dưỡng và có thể sử dụng các vật liệu sẵn có trong nước.
Cơ sở thực tiễn Kết quả nghiên cứu cho thấy, nguồn nước ngầm của Việt Nam đang bị ô nhiễm Asen trên diện rộng, mức độ ô nhiễm khá trầm trọng, tương đương với mức độ ô nhiễm ở Bangladesh (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19]. Theo thống kê chưa đầy đủ, cả nước hiện có khoảng hơn 1 triệu giếng khoan, trong đó có nhiều giếng có nồng độ Asen cao hơn từ 20 - 50 lần nồng độ cho phép (0,01 n 6 mg/l), ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng. Tại vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, những vùng bị nhiễm nghiêm trọng nhất là phía nam Hà Nội, Hà Nam, Hà Tây, Hưng Yên, Nam Định, Thái Bình,. Ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, cũng phát hiện nhiều giếng khoan có nồng độ Asen cao nằm ở Đồng Tháp và An Giang.
Sự ô nhiễm Asen ở miền Bắc phổ biến và cao hơn miền Nam. Gần 1/4 số hộ gia đình sử dụng trực tiếp nước ngầm không qua xử lý. Theo ước tính của tổ chức UNICEF, tại Việt Nam hiện nay, số người có nguy cơ mắc bệnh do tiếp xúc với Asen lên tới 10 triệu người (Hồ Vương Bính và cộng sự, 2000) [3]. Chính vì vậy, việc nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm là rất cần thiết nhằm đưa ra được một công nghệ xử lý asen hiệu quả, rẻ tiền, dễ làm phù hợp với điều kiện nông thôn Việt Nam để bảo vệ sức khoẻ của con người.
ASEN, TÍNH CHẤT HOÁ LÝ VÀ CÁC DẠNG TỒN TẠI Asen (còn được gọi là thạch tín) 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. 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 (Lê Huy Bá, 2006) [2]. Asen là một nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể, nhưng ở liều lượng cao Asen là một chất độc cực mạnh đối với cơ thể con người và các sinh vật khác. Chúng tồn tại phổ biến trong thiên nhiên và cũng có mặt nhiều trong sản xuất công nghiệp. Asen là một á kim màu xám trắng, mùi tỏi, tỷ trọng là 5,7.
Khi làm nóng asen chảy ra và thăng hoa ở nhiệt độ 613 0C. Asen cháy trong không khí tạo thành khói trắng là trioxit asen rất độc (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]. Asen là một nguyên tố có mặt ở khắp nơi trong môi trường. Sự phân bố của asen trong hệ thống tự nhiên phụ thuộc vào sự ổn định liên kết của asen với các hình thái nước và phụ thuộc vào khả năng hấp thụ asen lên bề mặt của đất (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1].
Dưới tác động của các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau mà asen có thể di chuyển từ hợp phần môi trường này sang hợp phần môi trường khác dẫn đến sự phân bố phức tạp của asen trong tự nhiên. Sơ đồ vòng tuần hoàn của Asen trong môi trường [1] * Asen trong đất và vỏ phong hoá * Asen trong đá và quặng n 8 * Asen trong đá và quặng Trong tự nhiên, asen không tồn tại ở dạng đơn chất, mà luôn tồn tại ở dạng hợp chất với hoá trị III hoặc hoá trị V. Asen tồn tại trong khoảng hơn 200 loại khoáng khác nhau, bao gồm các loại asen cơ bản là Arsenic, Sulphide, oxit, Arsenate. Trong cấu trúc của các loại khoáng vật này, asen thường đi kèm với một số nguyên tố khác như Fe, Ni, Co, Cu, S, Ca, Mg.
Asen thường xuất hiện trong mạch nước địa nhiệt, núi lửa, suối nước nóng v. Loại quặng chứa nhiều asen nhất là quặng Arsenopyrit (Đào Bích Thuỷ, 2005) [19]. Hàm lượng asen trong một số loại khoáng đá phổ biến dao động nhiều. Ở Việt Nam, kết quả nghiên cứu cho thấy, trong nhiều phức hệ đá xâm nhập có chứa arsenopyrit với mức hàm lượng asen từ <100 ppm đến 1000 ppm.
Hàm lượng asen trong quặng vàng kiểu thạch anh - vàng - sulfur trong các đá phun trào bazan thuộc hệ tầng Viên Nam, khu vực Đồi Bù (Hoà Bình) dao động trong khoảng từ 50 - 204 ppm. Hàm lượng trung bình asen trong đá phiến sericit, phiến sét hệ tầng Cốc Xô thuộc vùng mỏ chì kẽm Chợ Đồn (Bắc Kạn) đạt tới 97,8 ppm còn hàm lượng asen trong quặng chì kẽm đạt tới 8. * Asen trong đất và vỏ phong hoá Một số nghiên cứu gần đây về sự phân bố asen trong đất và vỏ phong hoá ở Việt Nam cho thấy: hàm lượng trung bình của asen trong đất Tây Bắc dao động trong khoảng 2,6 - 11 ppm. Đất hình thành trên các đá biến chất: phiến sericit, phiến mica, phiến amphibolit thuộc hệ tầng Nậm Cô, đất trên các đá biến chất thuộc hệ tầng Suối Chiềng có hàm lượng asen không cao, khoảng 2,6 ppm.
Đất dốc tụ trên đá vôi thuộc diệp Đồng Giao - 2,87 ppm, đất phát triển trên cát kết, bột kết, sét kết thuộc hệ tầng Cẩm Thuỷ, trên cát kết, bột kết thuộc diệp Yên Châu trung bình từ 7,1 - 8,4 ppm, đất trên phiến sét thuộc diệp Sông Mã - 9,35 ppm, vỏ phong hoá trên quặng vàng ở Đồi Bù giàu asen hơn (5 - 2550 ppm, trung bình 372 ppm). Hàm lượng asen trong đất và vỏ phong hoá feralit trên các đá bazan hệ tầng Viên Nam ở khu quặng Đồi Bù là 5 - 220 ppm, trung bình 161 ppm (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]. * Asen trong trầm tích bở rời Hàm lượng tổng asen trong bùn biển đại dương thế giới là 1 ppm, trong trầm tích Đệ Tứ hạt mịn ở Osaka, Kobe, Kyoto, Chiaba, Fukuoka, Sendai (Nhật Bản) khoảng 1 - 30 ppm, trong trầm tích sét biển tuổi Plio-Pléitocên ở n 9 Osaka là 200 ppm. Theo Nguyễn Thị Chuyền, Phạm Hùng Việt (2000), hàm lượng Asen trong trầm tích Đệ Tứ ở các lỗ khoan nước ở Hà Nội có quan hệ tuyến tính với hàm lượng Fe(OH)3, FeOOH (R = 0,94).
Trầm tích biển ven bờ Việt Nam có hàm lượng Asen dao động trong khoảng 0,1 - 6,1 ppm, cao nhất là vùng ven bờ Bạc Liêu - Cà Mau, và Phú Yên, Quảng Ngãi (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1]. * Asen trong không khí và nước Hàm lượng As trong không khí (mg/m3) của thế giới khoảng 0,007 - 2,3 (trung bình 0,5), vùng ô nhiễm là 1,5 - 190 (trung bình 15); Châu Phi 0,6 - 1,2; Nam Mỹ 0,9 - 1,6; Châu Âu, Bắc Mỹ 2,4; Nhật Bản 0,3 - 150; Liên Bang Đức 1,5 - 5,3. Theo Phạm Ngọc Hồ và cộng sự (2000), hàm lượng Asen trong không khí ở khu vực xung quanh Ngã Tư Sở là 0,036 - 0,071 (trung bình 0,044) [1, 2]. Hàm lượng asen ở trong nước mưa (µg/l) ở Thái Bình Dương là 0,6; ở Nhật 1,6; ở Thụy Điển 2,5; vùng không bị nhiễm ở Bắc Âu là 0,005 - 0,018 (trung bình 0,08), vùng ô nhiễm ở Bắc Âu là 3,6 - 8,4 (trung bình 12,3) (Lê Huy Bá, 2006) [2].
Hàm lượng asen trong (µg/l) nước biển thế giới khoảng 3,7; nước sông thế giới 4; nước sông ở Mỹ 1,5; Nhật 1,7; Liên Bang Đức 3,6; Thuỵ Điển 0,2-10; Anh 15 [1, 2]. Kết quả nghiên cứu của Trung tâm Địa chất Khoáng sản Biển và Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội cho thấy, nước biển ven bờ Việt Nam có biểu hiện ô nhiễm Asen. Hàm lượng asen trong nước biển Việt Nam được thể hiện trong bảng 1. Hàm lượng asen trong nước dưới đất (µg/l) ở Na Uy 0,002 - 11; Ireland 0,2 - 0,4; Liên Xô 3; Nhật 0,3 - 3,4 ; Thụy Điển 0,08 - 22 [1, 2].
* Asen trong sinh vật Theo kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, cây trồng cũng chứa một lượng As nhất định, đôi khi khá cao. Như ở Mỹ, hàm lượng As trong cỏ chăn nuôi 0,06 - 0,7 ppm; trong lúa khô 110 - 200 ppm; ngô 30 - 40 ppm; bắp cải 20 - 50 ppm; hành tươi 50 - 200 ppm; cà chua tươi 9 - 12000 ppm. As chủ yếu tích tụ ở rễ, ở những khu vực đất bị ô nhiễm thì rễ cây hấp n 10 thụ khá nhiều As (1000 - 6000 ppm), còn phần trên mặt đất là 100 ppm. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, hàm lượng As trong lúa cao hơn trong ngô và sắn.
Sinh vật biển nói chung thường giàu asen, hàm lượng trung bình của As trong cá biển từ 0,6 - 4,7 ppm (trung bình 2,7 ppm), còn cá nước ngọt là 0,54 ppm. As tập trung trong gan và mỡ [1, 2].