Phương pháp xử lý nước nhiễm Asen

Trước sự nhiễm độc Asen trong nước ngầm ngày càng gia tăng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đối với sức khỏe con người, mới đây các nhà khoa học thuộc phòng Hóa vô cơ – Viện Hóa học đã nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thành công hệ thống xử lý nước nhiễm asen và kim loại sử dụng công nghệ NanoVAST. Đây được coi là một giải pháp loại bỏ asen và các kim loại nặng hiệu quả, an toàn và kinh tế. Trên cơ sở công nghệ này có thể thiết kế hàng loạt các hệ xử lý asen cho nước ăn uống sử dụng ở quy mô gia đình, cụm gia đình, cơ quan xí nghiệp, trường học, bệnh viện….

 

Vật liệu xử lý nước nhiễm Asen

Nhiễm độc asen trong nước ngầm, được xem là một cuộc khủng hoảng môi trường chưa từng có trong lịch sử thế giới hiện đại. Ô nhiễm asen theo diện rộng đã gây ngộ độc đến số lượng lớn dân chúng. Một nghiên cứu năm 2007 cho thấy có  trên 137.000.000 người ở hơn 70 quốc gia có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễm độc asen trong nước ăn uống điển hình là: Ấn Độ, Đài Loan, Achentina, Trung Quốc, Mehico, Thái Lan, Chile, Bangladesh, Mỹ, Campuchia, Việt Nam… Năm 2002 các nhà khoa học viện Công nghệ Massachusetts đã dự đoán trên toàn thế giới có khoảng 1,2 triệu trường hợp tăng sắc tố da, 600.000 trường hợp mắc chứng dày biểu bì và sừng hóa da, 125.000 trường hợp ung thư da và 3.000 người chết mỗi năm do ung thư các cơ quan nội tạng liên quan đến việc ăn uống nước có chứa hàm lượng asen cao.

 

Ô nhiễm asen trong nước ngầm (nguồn nước đặc biệt quan trọng cung cấp nước cho người dân) ở Việt Nam là vấn đề đã được khẳng định. Theo đánh giá của WHO, khoảng trên 15 triệu người Việt Nam (gần 1/5 dân số) có thể phải đối mặt với nguy cơ tiềm tàng về nhiễm độc asen do sử dụng các nguồn nước ô nhiễm không được xử lý triệt để. Mức độ ô nhiễm đặc biệt cao ở các tỉnh Hà Nam, Hà Nội, Hưng Yên, Hà Tây, Vĩnh Phúc, Long An, Đồng Tháp, An Giang và Kiên Giang… Do đó, việc loại bỏ asen và các kim loại nặng trong nước ăn uống trở thành nhu cầu cấp thiết, đòi hỏi phải có một giải pháp về công nghệ có hiệu quả. phù hợp với thực tiễn của Việt Nam và có tính khả thi cao.

 

Trong các kỹ thuật sử dụng để loại bỏ asen, hấp phụ được đánh giá là kỹ thuật phổ biến có hiệu quả cao trong xử lý nước. Hàng loạt chất hấp phụ mới được phát triển nhằm nâng cao hiệu quả loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước đặc biệt là asen. Chất hấp phụ nanocomposite được quan tâm đặc biệt vì chúng kết hợp được bản chất và ưu thế của từng cấu tử nhất là các cấu tử có kích thước nano. Chúng đại diện cho một sự thay thế hấp dẫn, là một chất hấp phụ xúc tác với hoạt tính cao và chọn lọc theo hướng phù hợp với một tác nhân nào đó. Các chất hấp phụ mới tiên tiến có thành phần, cấu trúc, chức năng và đặc tính đặc biệt được nghiên cứu áp dụng trong xử lý nước.

 

Tại Việt Nam việc nghiên cứu loại bỏ asen cho nước sinh hoạt đã bắt đầu từ lâu, nhưng nói chung chúng ta chưa có một công nghệ và vật liệu nào tỏ ra có ưu thế vượt trội trong việc xử lý asen cả ở quy mô gia đình cũng như quy mô công nghiệp. Công nghệ chủ yếu vẫn là oxy hoá cộng kết tủa – lắng lọc đồng thời với quá trình xử lý mangan và sắt có sẵn trong nước ngầm. Đây là một công nghệ cổ điển, hiệu quả loại bỏ asen thấp, sự can thiệp của các tác nhân oxy hoá đôi khi không đem lại kết quả mong muốn. 

 

Đi tìm lời giải cho bài toán xử lý asen, gần đây, các nhà khoa học thuộc phòng Hóa vô cơ – Viện Hóa học đã nghiên cứu chế tạo thành công hệ thống xử lý nước nhiễm Asen và kim loại nặng sử dụng công nghệ Nano VAST, trong đó có sử dụng 2 loại vật liệu hấp phụ asen tiên tiến chế tạo trong nước là NC-F20 và NC-MF. Đây là kết quả nghiên cứu của đề tài “Hoàn thiện công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý nước nhiễm asen sử dụng vật liệu hấp phụ hiệu năng cao NC-F20 cho vùng nông thôn Hà Nam” thuộc Chương trình mục tiêu quốc gia về nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, do KSC. Phạm Văn Lâm – Phòng Hóa vô cơ – Viện Hóa học làm chủ nhiệm.

Vật liệu hấp phụ asen hiệu năng cao NC-F20

Vật liệu hấp phụ asen NC–F20 là vật liệu Nanocomposite – Magnetite. Đây là loại vật liệu lai tổ hợp giữa oxit sắt từ kích thước nano với carbon hoạt tính trên nền montmorillonite. NC-F20 có màu nâu đen đến nâu đỏ; có khả năng hấp phụ cả hai dạng As(III) và As(V) dung lượng hấp phụ tĩnh đạt Q_max = 30-35 g As(V)/kg vật liệu, ngoài ra vật liệu còn có khả năng hấp phụ hàng loạt các ion khác như Cu, Pb, Hg, Cr,…; thời gian tiếp xúc ngắn (10-15 phút) trở lực thủy lực thấp.

Vật liệu xúc tác oxy hóa hấp phụ nanocomposite oxit phức hợp Mn-Fe (NC-MF)

Đây là vật liệu lai tổ hợp giữa oxit phức hợp Mn- Fe dạng vô định hình với carbon hoạt tính trên nền montmorillonite. Vật liệu thể hiện tính năng xúc tác oxy hóa và hấp phụ đồng thời. NC-MF có khả năng hấp phụ cả hai loại As(III) và As(V), Dung lượng hấp phụ tĩnh Q_max = 100-120gAs(III) / kg, vật liệu có khả năng hấp phụ các ion kim loại khác: Fe, Cu, Pb, Cr…; tốc độ hấp phụ tương đối cao (20 phút tiếp xúc).

 

Cả hai vật liệu (Nc-F20 và NC-MF) đều có thời gian sống cao khi làm việc liên tục, dễ sử dụng, dễ loại bỏ khi vật liệu hết tác dụng, rất thích hợp với các hệ thống nhỏ nhất là quy mô hộ gia đình, cơ quan xí nghiệp, chi phí hoạt động thấp và thân thiện với môi trường.

Dạng asen phổ biến trong nước ngầm là As(III), chúng có độc tính cao và rất khó loại bỏ. Thông thường cần phải oxy hóa As(III) thành As(V) bằng các tác nhân hóa học như O₂, ozon, H₂O₂, KMnO₄, Cl₂ … Điều đó dẫn đến phức tạp hóa và chi phí cao cho hệ thống tiền oxy hóa. Việc chế tạo thành công vật liệu xúc tác oxy hóa hấp phụ NC -MF đã giải quyết triệt để vướng mắc này.

 

Công nghệ NanoVAST (Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 kết nối với các kỹ thuật khác)

 

Trong công nghệ NanoVAST, một hệ thống tiền xử lý theo kỹ thuật thông thường được lắp đặt trước hệ thống hấp phụ. Nhiệm vụ của hệ thống này là bão hòa oxy không khí nhằm tách loại triệt để Fe, Mn… và qua đó giảm tối đa nồng độ asen và các chất rắn lơ lửng. Hiệu quả làm việc của hệ thống này là rất quan trọng nhằm giảm tải và chống làm bẩn các chất hấp phụ. Tùy theo từng nguồn nước hệ thống này có thể được thiết kế khác nhau.

Tổ hợp vật liệu NC-MF và NC-F20 có ưu điểm nổi trội là hấp phụ với tốc độ nhanh với dung lượng rất cao, khi cân bằng nồng độ asen trong nước nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép (10 

ppb).

 

Việc ghép nối hệ thống tiền xử lý với hệ thống lọc nano trên nền vật liệu NC-F20 và NC-MF cho phép kéo dài thời gian làm việc do nồng độ asen đầu vào của cột hấp phụ NC-F20 giảm, tăng thời gian sống của NC-MF và NC-F20 và làm giảm giá thành.

Hệ thống Nano Vast ban đầu đã được triển khai ứng dụng vào thực tiễn tại trạm xá xã Nhân Khang – Lý Nhân – Hà Nam, có khả năng loại bỏ asen từ 200 ppb xuống dưới 5 ppb (tiêu chuẩn là 10 ppb) với công suất xử lý 1,5m3/h đạt tiêu chuẩn về asen trong nước ăn uống. Hệ thống được thiết kế dạng modul chuẩn nhằm  lắp ghép dễ dàng, điều khiển hệ thống theo hai chế độ: tự động hoàn toàn hoặc bằng tay. Đến nay hệ thống Nano Vast đã được triển khai và nhân rộng tại nhiều địa bàn trong cả nước với các công suất là 0,8m³/h, 1,2m³/h và 1,5m³/h.

 

Hệ thống NanoVAST hiện được thiết kế tương đối chuyên nghiệp với những ưu điểm nổi bật như không dùng hóa chất , điều khiển hoàn toàn tự động hoặc bán tự động, giảm đến mức tối đa can thiệp của các thao tác vận hành. Chất lượng nước sau xử lý đảm bảo tiêu chuẩn nước ăn uống với hàm lượng asen < 5μg/l (tiêu chuẩn nồng độ asen an toàn là: <10μg/l). Hệ thống có hình thức đẹp, cấu trúc chắc chắn. Có thể sử dụng rộng rãi ở quy mô cụm gia đình cơ quan xí nghiệp, trường học, bệnh viện …

  

KSC. Phạm Văn Lâm cho biết, việc kết nối Nano VAST với hệ thống tiền xử lý thông thường (oxy hóa, lắng, lọc) có một nhược điểm là hệ thống vẫn sinh ra nhiều cặn rắn (trong bể lắng) chứa nồng độ cao của asen và chi phí sẽ tăng lên do tốn thiết bị (thiết bị lắng. thiết bị lọc thô và vật liệu CIM…). Hiện nay, với mong muốn hạn chế các nhược điểm trên, nhóm nghiên cứu đang phát triển công nghệ theo hướng kết nối công nghệ NanoVAST với SAR (Subterranean Arsenic Removal), với ý tưởng là chuyển toàn bộ quá trình oxy hóa và lọc thực hiện trên mặt đất như đang tiến hành theo cách thông thường vào tầng nước ngầm. Tầng nước ngầm dưới lòng đất được sử dụng như một hệ thống phản ứng sinh hóa tự nhiên. Lợi thế lớn nhất của việc kết hợp này là không phải xử lý bùn, không sử dụng hóa chất, đơn giản và dễ dàng vận hành, chi phí vốn và chi phí hoạt động nhỏ. Việc thực hiện thành công ý tưởng này sẽ mở ra một hướng mới đầy tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước đảm bảo vệ sinh an toàn cho cộng đồng, đặt nền móng cho một công nghệ linh hoạt, hiệu quả cao, an toàn và thân thiện với môi trường.

 

(Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)