Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ than hoạt tính cải tiến để xử lý kim loại nặng trong nước

Giới thiệu

Hiện nay, tình trạng ô nhiễm và suy thoái nguồn nước ngầm đang phổ biến trong các khu vực đô thị và các thành phố lớn. Không ít nguồn nước ngầm do tác động của con người đã bị ô nhiễm bởi các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, các vi khuẩn gây bệnh, nhất là các chất độc hại như kim loại nặng (Trương Thị Huyền và nck, 2010). Nước bị ô nhiễm kim loại nặng thường gặp trong lưu vực nước ngầm các khu công nghiệp, các thành phố lớn và các khu vực khai thác khoáng sản. Theo nhận định của Tổ chức Y Tế Thế giới WHO, khoảng 1/5 dân số nước ta có thể phải đối mặt với nguy cơ 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... (Nguyễn Duy Bảo, 2012). Những kim loại nặng này rất độc cho cơ thể. Trong danh sách các chất thải độc hại thì chì Pb, thuỷ ngân Hg, thạch tín As và Cadimi Cd đứng hàng thứ nhất, nhì, ba và sáu theo xếp loại dược tính của Mỹ (Nguyễn Duy Bảo, 2012). As có thể gây nguy hại cho da, hệ thống tim mạch và thậm chí gây ung thư sau 3-5 năm. Nhiễm độc Pb khiến trẻ em chậm phát triển về thể chất, trí tuệ và tinh thần, trong khi đó gây hại thận, tim mạch và nội tạng ở người lớn (Trương Thị Huyền và nck, 2010).

Năm 2015 đã có báo cáo đánh giá kim loại nặng trong mẫu nước máy tại các quận, huyện tại Thành phố Hà Nội. Nồng độ Asen trong nước dao động từ 0,8 đến 20,7 ppb. Nồng độ Pb cũng vượt tiêu chuẩn ở quận Hoàng Mai (Bạch Quang Dũng và nck, 2015).  Như vậy, các nhà máy nước mới xử lý được một phần kim loại nặng có trong nước ngầm.

Công nghệ xử lý kim loại nặng được áp dụng trên thế giới và Việt Nam phổ biến là dùng hoá chất keo tụ và lắng (Trương Thị Huyền và nck, 2010). Một biện pháp cũng khá phổ biến khác để xử lý kim loại nặng là hấp phụ bằng than hoạt tính (Mondal và nck, 2007). Đặc biệt nhiều nghiên cứu trước đây cho thấy khi than hoạt tính khi hoạt hoá kết hợp với các ion kim loại khác nhau thì sẽ tăng khả năng hấp phụ As. Ví dụ như muối Fe, như ferrous perchlorate Fe(ClO₄)₂, có khả năng liên kết phản ứng với As, làm giảm nồng độ As trong nước (Huang and Vane, 1989; Chen và nck, 2007).

Do đó, Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường đã phối hợp với công ty Galaxy Water Solutions nghiên cứu thử nghiệm việc ứng dụng công nghệ than hoạt tính cải tiến (cung cấp bởi công ty Galaxy Water Solutions) để xử lý kim loại nặng trong nước uống ở Hà Nội. As và Pb được lựa chọn do khả năng ô nhiễm cao hơn so với các kim loại nặng khác trong nước ngầm ở Hà Nội.

Mô tả sơ bộ thí nghiệm

Bộ lọc dùng trong thí nghiệm gồm thiết bị màng vi lọc 2 bậc, sau đó đến thiết bị than hoạt tính cải tiến, màng siêu lọc và cuối cùng là than hoạt tính thông thường để khử mùi, vị (Hình 1).

Hình 1: Sơ đồ dây chuyền xử lý và lõi lọc than hoạt tính

Than hoạt tính sản xuất từ xơ dừa (coconut fiber) và được hoạt hoá với oxit sắt để tăng khả năng hấp phụ của than đối với các kim loại nặng. Công ty Argonide Corporation (Mỹ) đã ứng dụng những kết quả nghiên cứu về than hoạt tính để cải tiến và làm thành lõi lọc có tính năng ưu việt trong xử lý kim loại nặng.

Mô hình được vận hành liên tục trong 03 tháng. Lưu ý đây là mô hình lọc thường được áp dụng tại hộ gia đình, dùng để lọc lấy nước sử dụng cho ăn uống nên tần suất hoạt động của bộ lọc thường không nhiều và không liên tục. Do đó, nhóm thí nghiệm chọn thời gian chạy mỗi ngày là 04 giờ. Lưu lượng bơm là 20 L/h. Nồng độ các kim loại nặng (As, Pb) đầu vào thay đổi từ nồng độ cao (~100ppb) đến nồng độ thực tế (~20ppb).

Kết quả thử nghiệm

Sau 03 tháng thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý kim loại nặng (điển hình là As và Pb) của thiết bị lọc than hoạt tính cải tiến, có thể đưa ra một số kết luận sơ bộ như sau:

- Hiệu suất xử lý As của bộ lọc dao động từ 65% - 95%. Hiệu suất này khá cao do thành phần của than hoạt tính có Fe, như là chất xúc tác giúp cho việc hấp phụ As tốt hơn.

- Công suất xử lý As của bộ lọc với than hoạt tính cải tiến có thể lên đến 8600h nếu hoạt động không liên tục vài giờ một ngày, hoặc 7200h nếu chạy liên tục trong 4h/ngày.

- Đối với Pb, khả năng làm việc của lõi lọc tốt hơn đối với As khi nồng độ Pb trong nước nguồn thấp. Công suất sử dụng có thể kéo dài từ 3 -6 tháng kể cả khi sử dụng liên tục trong 4h/ngày. Điều này là do nồng độ Pb trong nước thường thấp hơn As (chỉ khoảng 20 - 30 ppb) và do Pb dễ lắng hơn As.

- Theo nghiên cứu này, chỉ trừ yếu tố Ammonia có ảnh hưởng tới sự hấp phụ của Pb trên than hoạt tính, các yếu tố còn lại như độ cứng, độ kiềm, độ ôxi hoá không cho thấy tác động rõ rệt. Điều này có thể là do khoảng dao động của các yếu tố này còn chưa nhiều trong nước máy, nên chưa cho thấy rõ mức độ ảnh hưởng.

Tài liệu tham khảo

1.      Bạch Quang Dũng, Đinh Thái Hưng, Nguyễn Hồng Việt, Đào Thị Thu Hương. Sơ bộ đánh giá chất lượng một số mẫu nước máy tại khu vực Hà Nội - Báo cáo tại Hội thảo Khoa học quốc gia về Khí tượng thuỷ văn, môi trường và Biến đổi khí hậu, 1/2015

2.      Nguyễn Duy Bảo, Phơi nhiễm kim loại nặng ở Việt Nam, Báo cáo tại Hội nghị chống độc quốc tế, Hà Nội, 2013

3.      Trương Thị Huyền, Võ Thị Trung Hậu, Võ Nguyễn Thị Lệ Giang, Huỳnh Thị Thanh Phương, Nghiên cứu xử lý kim loại nặng trong nước ngầm –Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐH Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh, 2010

4.      Huang, C.P. & Vane, L.M., Enhancing AsS+ removal by a Fe 2+ -- treated activated carbon, Res. J. Water Pollut. Control Fed., 61(9-10) 1596-1603 (1989).

5.      Prasenjit Mondal, Chandrajit Balomajumder, Bikash Mohanty. A laboratory study for the treatment of arsenic, iron, and manganese bearing ground water using Fe3+ impregnated activated carbon: Effects of shaking time, pH and temperature. Journal of Hazardous Materials 144 (2007) 420–426

6.      Weifang Chen, Robert Parette, Jiying Zou, Fred S. Cannon, Brian A. Dempsey, Arsenic removal by iron-modified activated carbon, Water research 41 (2007) 1851 – 1858

TS. Đặng Thị Thanh Huyền, ThS. Trần Hoài Sơn, CN. Nguyễn Thuý Liên