Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM


DƢƠNG THỊ MINH HOÀ Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU XỬ LÝ ASEN TRONG NƢỚC NGẦM
BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC”

Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng
Mã số: 60 85 02
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Phan Đỗ Hùng
Viện Công nghệ Môi trường Việt Nam
2. PGS.TS. Đặng Văn Minh
Khoa Tài nguyên và Môi trường

Dương Thị Minh Hoà
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu
thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu khảo sát và phân tích từ thực tiễn dưới sự hướng dẫn khoa học của
TS. Phan Đỗ Hùng và PGS.TS Đặng Văn Minh.
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày
trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa được sử dụng để bảo
vệ cho một học vị nào, phần trích dẫn tài liệu tham khảo đều được ghi rõ
nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011
Tác giả Dƣơng Thị Minh Hoà

1.2. Asen, tính chất hoá lý và các dạng tồn tại
6
1.3. Ảnh hưởng của asen đến sức khoẻ con người
11
1.4. Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên thế giới và Việt Nam
12
1.4.1. Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên thế giới
12
1.4.2. Ô nhiễm asen trong nước ngầm ở Việt Nam
14
1.5. Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm asen trong nước ngầm
17
1.6. Tiêu chuẩn về hàm lượng asen trong nước uống
19
1.7. Các phương pháp xử lý asen
19
1.7.1. Các phương pháp xử lý asen trên thế giới
19
1.7.2. Các phương pháp xử lý asen đang được nghiên cứu và áp
dụng tại Việt Nam
22
1.8. Cơ sở lý thuyết của phương pháp lọc sinh học
24
1.8.1. Cơ chế loại bỏ asen bằng phương pháp lọc sinh học
24
1.8.2. Vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan
28
1.8.3. Các yếu tố ảnh hưởng
31
Chƣơng 2. Đối tƣợng, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu

50
3.3.1. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 100 m/ngày và nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
50
3.3.2. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 400 m/ngày và nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
52
3.3.3. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 600 m/ngày và nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
54
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào đến hiệu
suất xử lý asen
55
3.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3 mm
và tốc độ lọc 100 m/ngày
55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

v
3.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3 mm
và tốc độ lọc 210 m/ngày
57
3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 - 3 mm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Viết đầy đủ
WHO
Tổ chức Y tế thế giới
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
UNICEF
Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc
BYT
Bộ Y tế
IRB

16
Bảng 2.1. Các thông số của nước ngầm đầu vào
33
Bảng 2.2. Các chế độ thực nghiệm
37
Bảng 3.1. Diễn biến của pH, nhiệt độ và nồng độ oxy hoà tan trong
quá trình thực nghiệm
41
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với
kích thước vật liệu lọc từ 3 - 5 mm, nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
44
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với
kích thước vật liệu lọc từ 1 - 3 mm, nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
46
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tốc độ lọc đến hiệu suất xử lý asen đối với
kích thước vật liệu lọc từ 1 - 3 mm, nồng độ asen đầu vào
khoảng 100 g/l
48
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 100 m/ngày và nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
50
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 400 m/ngày và nồng độ asen đầu vào
khoảng 50 g/l
52

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ix
DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ vòng tuần hoàn của Asen trong môi trường
7
Hình 1.2. Một số hình ảnh biểu hiện các bệnh do nhiễm độc Asen
gây ra
12
Hình 1.3. Bản đồ ô nhiễm Asen
14
Hình 1.4. Cơ chế loại bỏ asen trong nước ngầm bằng phương pháp
lọc sinh học


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

x
asen đối với tốc độ lọc 400 m/ngày và nồng độ asen đầu
vào khoảng 50 g/l
Hình 3.6. Ảnh hưởng của kích thước vật liệu lọc tới hiệu suất xử lý
asen đối với tốc độ lọc 600 m/ngày và nồng độ asen đầu
vào khoảng 50 g/l
54
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 -
3 mm và tốc độ lọc 100 m/ngày
56
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 -
3 mm và tốc độ lọc 210 m/ngày
58
Hình 3.9. Ảnh hưởng của nồng độ asen trong nước ngầm đầu vào tới
hiệu suất xử lý asen đối với vật liệu lọc có kích thước từ 1 -
3 mm và tốc độ lọc 400 m/ngày
60
biệt trên toàn thế giới khi xảy ra thảm họa nhiễm độc Asen trên diện rộng ở
Bangladesh và Tây Bengan Ấn Độ vào những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ
20. Ngày nay, người ta đã phát hiện thấy ngoài Bangladesh và Tây Bengan Ấn
Độ, nhiều nước đã phát hiện hàm lượng asen rất cao trong nguồn nước sinh
hoạt như: Canada, Mỹ, Italia, Nhật, Trung Quốc, Alaska, Chile, Arhentina,
Indonexina, Thái Lan, Việt Nam,… (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1].
Ở Việt Nam, những điều tra khảo sát về tình trạng ô nhiễm asen đã được
tiến hành và bản đồ các khu vực ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2
thành. Những báo cáo đầu tiên về hiện tượng nhiễm asen trong nước ngầm ở
Việt Nam đã được công bố trong hội thảo “Tài nguyên nước dưới đất phục vụ
chương trình cung cấp nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn” năm
1997. Từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu, điều tra khảo sát hiện trạng
cũng như công nghệ xử lý asen được tiến hành trong cả nước. Một kết quả
khảo sát về mức độ ô nhiễm asen trong nước ngầm của Viện Công nghệ Môi
trường năm 2004 thuộc dự án “Điều tra diện rộng phát hiện sự ô nhiễm asen
trong nước giếng khoan ở 12 tỉnh của Việt Nam” cho thấy, trong 12 tỉnh
thành được khảo sát chỉ có 2 tỉnh thành là Thành phố Hồ Chí Minh và Long
An chưa phát hiện thấy nhiễm asen, còn các tỉnh thành còn lại bị ô nhiễm khá
trầm trọng. Các tỉnh thuộc lưu vực sông Hồng (tỉnh Hà Nam, Nam Định, Hà
Tây, Hưng Yên và Hải Dương) đều bị phát hiện có nhiễm asen trong nước
ngầm. Trầm trọng nhất là các tỉnh: Hà Nam, Nam Định, Hà Tây. Kết quả
khảo sát 7 huyện trong tỉnh Hà Nam cho thấy 58,56 % số giếng khoan có hàm
lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó số lượng giếng có hàm lượng asen vượt
quá 200 g/l lên tới 10,35 %. Tại tỉnh Nam Định có 28,96 % số giếng có hàm
lượng asen vượt quá 10 g/l, trong đó số giếng có hàm lượng asen vượt quá
200 g/l chiếm khoảng 7,5 %. Tại tỉnh Hà Tây có tới 46,78 % số giếng có

hoá của sắt, mangan có khả năng kết tủa. Các kết tủa này đồng thời kết tủa,
hấp phụ và loại bỏ asen ra khỏi nước. Hệ thiết bị này có thể sử dụng để xử lý
đồng thời sắt, mangan, asen (III) và asen (IV) trong nước mà không cần phải
thêm quá trình tiền xử lý (Y. Fujikawa và cộng sự, 2011) [28]. Hàm lượng sắt
và mangan trong nước ngầm Việt Nam khá cao, vì vậy rất phù hợp để ứng
dụng phương pháp này. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị này được thiết kế làm
việc liên tục và được điều khiển hoàn toàn tự động, vì vậy để có thể phổ cập
ứng dụng ở Việt Nam, cần thiết tiếp tục nghiên cứu tối ưu hoá và cải tiến thiết
bị cho phù hợp với đặc trưng nước ngầm Việt Nam và điều kiện của nông
thôn Việt Nam.
Xuất phát từ thực tế trên, được sự nhất trí của Nhà trường, dưới sự hướng
dẫn của thầy giáo TS. Phan Đỗ Hùng và PGS.TS. Đặng Văn Minh, tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xử lý asen trong nước ngầm bằng phương
pháp lọc sinh học”.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu phát triển hệ thống xử lý asen bằng phương pháp lọc sinh học
sử dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan (IRB), ứng dụng xử lý nước ăn uống
nhằm phổ cập cho các hộ gia đình ở nông thôn và phát triển các hệ thống xử lý
phi tập trung cung cấp nước ăn uống an toàn cho các khu vực có nước ngầm bị
ô nhiễm asen.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4
3. YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI
- Lắp đặt hệ thí nghiệm xử lý asen bằng phương pháp lọc sinh học sử
dụng vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan (IRB);
- Lấy mẫu, phân tích hàm lượng asen và các chỉ tiêu liên quan trong
nước ngầm đầu vào và nước sau khi qua hệ thống thí nghiệm.
- So sánh, đánh giá kết quả phân tích hàm lượng asen trong nước ngầm

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.
1.1.2. 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6
mg/l), ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ, tính mạng của cộng đồng. Tại vùng đồng

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7


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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

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 nƣớc
Hàm lượng As trong không khí (mg/m
3
) của thế giới khoảng 0,007 - 2,3

0,54 ppm. As tập trung trong gan và mỡ [1, 2].
Đối với cơ thể người, asen đi vào cơ thể trong một ngày đêm thông
qua chuỗi thức ăn khoảng 1 mg, qua bụi không khí 1,4 µg và các đường
khác 0,04 - 1,4 µg. Hàm lượng asen trong cơ thể người khoảng 0,08 - 0,2
ppm, tổng lượng asen trong người trung bình khoảng 1,4 mg. Asen tập
trung trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tập trung trong
não, xương, da, phổi, tóc (UNICEF, 2002) [20].
Bảng 1.1. Hàm lượng Asen trong nước (µg/l) và trầm tích (ppm) biển
ven bờ một số vùng Việt Nam [1]
TT
Vùng
Nƣớc biển ven bờ
(<10 m nƣớc)
Nƣớc biển ở độ sâu
(10 - 30 m)
Trầm
tích biển
1
Móng Cái - Hải Phòng
1,2
7,41,0 

0,3
1,41,2 

5,1
1,62,0 

2
Hải Phòng - Nga Sơn

Bạc Liêu
3,3
6,52

6,3
7,52

1,2-3,6
6
Bạc Liêu - Cà Mau
7,3
0,46,1 

2,5
392 

1,2
6,38,0 

7
Cà Mau - Hà Tiên
9,1
2,44,0 

21,2
0,42,0 

43,0
9,011,0 


năm mới bắt đầu gây tác động ảnh hưởng đến sức khoẻ. Sự nhiễm độc
asen được gọi là arsenicosis. Biểu hiện của bệnh là chứng sạm da
(melanosis), dầy biểu bì (keratosis) từ đó dẫn đến hoại thư hay ung thư
da, khởi đầu là sự phá huỷ da ngoài, ngón tay, ngón chân, sau đó là các bộ
phận nội tạng, cuối cùng là ung thư, hoại thư…. Một biểu hiện đặc trưng
khi bị nhiễm độc asen dạng hợp chất vô cơ qua đường miệng là sự xuất
hiện các vết màu đen và sáng trên da, những hạt ngô nhỏ trong lòng bàn
tay, lòng bàn chân và trên mình bệnh nhân. Sau đó những hạt nhỏ này có
thể sẽ biến chứng, gây ung thư da. Ngoài ra người ta còn phát hiện thấy
rằng nhiễm asen còn làm tăng nguy cơ gây ung thư trong cơ thể, nhất là ở
gan, thận, bàng quang và phổi [2, 10, 19].
Điều nguy hiểm là asen không gây mùi khó chịu khi có mặt trong
nước, cả khi ở hàm lượng có thể gây chết người, nên không thể phát hiện.
Vì vậy, các nhà khoa học còn gọi asen là “sát thủ vô hình”, “thảm họa
môi trường” (Anh Thi, 2011) [18].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

12
Harirampar cả 4 mẫu phân tích đều trên 100 g/l (Fields, 2000) [27]. Nồng độ
cao của asen có thể tìm thấy lên tới 1000 g/l (Chowdhury, 1999) [24].
Ở phía Tây Nam Đài Loan nồng độ asen trung bình 147.671g/l và
người dân sử dụng nước ở đây đã bị bệnh đen chân (blackfoot).
Hai khu vực bắc Achentina: San Antonio delos Codres và Taco Pozo,
mỗi nơi nồng độ asen khoảng 200 g/l (Ioannis, 2002) [29].
Sự nhiễm asen trong nước ngầm ở phía Đông sông Hoogky, một
nhánh của sông Hằng phía Tây Bengal đã được báo cáo từ đầu năm 1978.
Nhóm bệnh nhân đầu tiên được phát hiện vào tháng 7/1983. Kể từ đó
phạm vi ảnh hưởng và số bệnh nhân mới ngày càng tăng. Khu vực ảnh
hưởng rộng 3.400 km
2
, xấp xỉ 30 triệu dân, số người sử dụng nước nhiễm
độc asen lên tới hơn 1 triệu người, trong đó hơn 200.000 người đã được
xác nhận là có triệu trứng nhiễm độc asen. Đây là vụ nhiễm độc asen lớn
nhất trong lịch sử (UNICEF, 1998) [26].
Trong nước dưới đất ở vùng Ronphiboon (Thái Lan), hàm lượng trung
bình của As trong đất từ 15 - 300 ppm, trong đó lớp đất tầng A từ 50 - 5000
ppm. Nước ở những lỗ khoan sâu có hàm lượng As nhỏ hơn 0,05 mg/1 trong
lúc đó ở những lỗ khoan tầng nông và các giếng đào thì hàm lượng As tới
1,62 mg/1 (dao động 0,08 - 9 mg/1) (Đỗ Văn Ái và cộng sự, 2000) [1].
Ở mỗi quốc gia, với đặc điểm địa lý, địa chất khác nhau, các nguyên
nhân tìm được chưa hoàn toàn thống nhất. Tuy nhiên, sự có mặt của asen
trong nước ngầm là có thật và tồn tại như một thách thức lớn với chính phủ và
chính quyền các địa phương trong việc bảo vệ sức khoẻ nhân dân.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14
1.4.2. Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm ở Việt Nam