Nghiên cứu xử lý nước thải chứa kim loại nặng cr ni bằng mùn cưa kết hợp với hệ thống đất ngập nước nhân tạo

LỜI CAM ĐOAN Tên là: Chử Thị Thùy Linh Mã số học viên: 138440301020 Lớp: 21KHMT21 Chuyên ngành: Khoa học Mơi trường Mã số: 60520320 Khóa học: 21 đợt Tơi xin cam đoan luận văn thực hướng dẫn TS Bùi Thị Kim Anh PGS.TS Bùi Quốc Lập với đề tài nghiên cứu luận văn “Nghiên cứu xử lý nước thải chứa kim loại nặng (Cr, Ni) mùn cưa kết hợp với hệ thống đất ngập nước nhân tạo” Đây đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với đề tài luận văn trước đây, khơng có chép luận văn Nội dung luận văn thể theo quy định, nguồn tài liệu, tư liệu nghiên cứu sử dụng luận văn trích dẫn nguồn Nếu xảy vấn đề với nơi dung luận văn này, tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm theo quy định./ NGƯỜI VIẾT CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Lời luận văn xin chân thành cảm ơn TS Bùi Thị Kim Anh, phịng Thủy sinh học Mơi trường, Viện Cơng nghệ Môi trường PGS.TS Bùi Quốc Lập, môn Khoa học Môi trường, trường Đại học Thủy Lợi Thầy Cô tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn anh chị phòng Thủy sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, nhiệt tình bảo tạo điều kiện cho tơi suốt q trình làm luận văn Dù có nhiều cố gắng, song lực hạn chế nên luận văn chắn tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận ý kiến đóng góp Thầy Cơ bạn để luận văn hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2015 Học viên cao học Chử Thị Thùy Linh MỤC LỤC MỞ ĐẦU .2 DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan kim loại nặng 1.1.1 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng ảnh hưởng mơi trường 1.1.2 Các phương pháp xử lý ô nhiễm kim loại nặng 11 1.2 Khái quát sử dụng mùn cưa xử lý nước thải chứa kim loại nặng 17 1.2.1 Quá trình thủy phân mùn cưa 18 1.2.2 Tình hình sử dụng hợp chất hữu khác để làm nguồn Cacbon chất khử xử lý nước thải chứa KLN giàu sunfat .20 1.2.3 Sử dụng mùn cưa chất hấp phụ sinh học để xử lý nước 21 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 22 1.3.1 Sử dụng mùn cưa để xử lý KLN .22 1.3.2 Sử dụng công nghệ đất ngập nước nhân tạo (Constructed wetland) 24 1.4 Tình hình nghiên cứu Việt Nam .25 1.4.1 Sử dụng mùn cưa để xử lý KLN 25 1.4.2 Tình hình sử dụng công nghệ đất ngập nước nhân tạo để xử lý KLN 26 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Vật liệu nghiên cứu 28 2.1.1 Mùn cưa 28 2.1.2 Thực vật thủy sinh: Cây Sậy 28 2.1.3 Đá, cát, sỏi… 29 2.2 Địa điểm nghiên cứu 29 2.3 Phương pháp nghiên cứu 29 2.3.1 Phương pháp điều tra, khảo sát .29 2.3.2 Nghiên cứu kế thừa tài liệu liên quan .30 2.3.3 Phương pháp phân tích đánh giá phịng thí nghiệm 30 2.3.4 Sử dụng phương pháp bố trí thí nghiệm logic để đánh giá ảnh hưởng yếu tố liên quan đến hiệu xử lý kim loại nặng 31 2.3.5 Thiết kế hệ modul xử lý xác định thông số công nghệ quy trình 33 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Hàm lượng KLN nước thải làng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội 40 3.2 Kết nghiên cứu trình thủy phân mùn cưa PTN .41 3.2.1 Sự biến động COD môi trường 38 3.2.2 Hàm lượng rượu etylic, methanol, axetic axit theo thời gian thí nghiệm 39 3.3 Khả xử lý nhiễm Cr, Ni nước mùn cưa quy mơ PTN 40 3.3.1 Thí nghiệm so sánh hiệu xử lý đá vôi, mùn cưa hỗn hợp đá vôi mùn cưa .40 3.3.2 Đánh giá khả xử lý hỗn hợp Cr, Ni đá vơi mùn cưa theo thời gian thí nghiệm .45 3.3.3 Xác định liều lượng mùn cưa hệ xử lý 50 3.4 Quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chứa Cr, Ni mùn cưa phối hợp với thực vật thủy sinh qui mô pilot 53 3.4.1 Nhu cầu oxi hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) 53 3.4.2 Hiệu loại bỏ SO 2- 55 3.4.3 Hiệu loại bỏ Cr6+ 57 3.4.4 Hiệu xử lý Cr3+ 59 3.4.5 Hiệu loại bỏ Ni2+ 61 KẾT LUẬN .63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ mạ điện Hình 1.2: Thành phần gỗ 17 Hình1.3: Cơng thức hóa học xelulơ 18 Hình 1.4: Tác dụng enzym xenlulơ 18 Hình 1.5: Q trình thủy phân xenlulơ 19 Hình 1.6 Nước thải ADM trước xử lý (năm 1995) sau xử lý 24 Hình 2.1: Cây sậy (Phragmites australis) 28 Hình 2.2: Hình ảnh nguyên liệu đầu vào 31 Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống kết hợp đá vôi mùn cưa 34 Hình 3.1: Hình ảnh mùn cưa trước sau tháng thủy phân 38 Hình 3.2: Đồ thị thể biến động COD trình phân hủy xenlulơ thí nghiệm 39 Hình 3.4: Hiệu suất xử lý Cr3+ nồng độ 20 mg/l (CT1) 35 mg/l (CT2) theo thời gian thí nghiệm 42 Hình 3.5: Hiệu suất xử lý Ni2+ nồng độ 20mg/l (CT1) 35mg/l (CT2) theo thời gian thí nghiệm 43 Hình 3.6: Hiệu suất xử lý Cr6+,Cr3+, Ni theo nồng độ thời gian thí nghiệm từ 0.5 đến 8h 48 Hình 3.7: Hiệu suất xử lý Cr6+,Cr3+, Ni theo nồng độ thời gian thí nghiệm từ 10h đến 72h 49 Hình 3.8: Hiệu suất xử lý Cr6+ , Cr3+, Ni2+ theo liều lượng mùn cưa 51 Hình 3.9: Hàm lượng COD biến động theo thời gian chặng bể xử lý 53 Hình 3.10: Hàm lượng sunfat biến động theo thời gian hệ thống xử lý 55 Hình 3.11: Hàm lượng Cr6+ biến động theo thời gian chặng bể xử lý 58 Hình 3.12: Hàm lượng Cr3+ biến động theo thời gian chặng 60 Hình 3.13: Hàm lượng Ni2+ biến động theo thời gian chặng 62 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Khử kim loại nặng bể với bùn hoạt tính 13 Bảng 3.1 Kết khảo sát nước thải làng nghề Phùng Xá 36 Bảng 3.2 Kết phân tích sản phẩm cảa trình trao đổi chất 40 Bảng 3.3 Hiệu loại bỏ hỗn hợp Cr, Ni theo thời gian thí nghiệm 45 Bảng 3.4 Khả loại bỏ Cr, Ni hỗn hợp đá vôi mùn cưa theo liều lượng mùn cưa 51 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ô nhiễm kim loại nặng (KLN) đất nước vấn đề trầm trọng nhiều nước giới Việt Nam Điều thu hút quan tâm đặc biệt nhà khoa học loại ô nhiễm phức tạp, ngày phổ biến tiềm ẩn nhiều nguy sống sinh vật nói chung người nói riêng Tại Việt Nam, nước thải số ngành công nghiệp mạ điện, luyện kim, sơn, khai thác chế biến crôm, thuộc da, khai thác mỏ… chứa nhiều kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường Đặc biệt, nước thải số làng nghề kim khí chứa hàm lượng KLN, sulfat, nitrat, amoni…rất cao Cả nước có khoảng 1450 làng nghề 100% làng nghề điều tra gây ô nhiễm môi trường Các làng nghề sử dụng lượng lớn hoá chất thải môi trường khối lượng nước thải không nhỏ có độ độc hại cao, chứa nhiều kim loại nặng như: Fe, Cr, Ni, Zn, CN Cụ thể, ngày làng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội ước tính thải khoảng 5000m3 nước thải loại Các loại nước thải có hàm lượng Cr, Ni, Pb, Cd, COD, sulfat, nitrate, amoni vượt TCCP nhiều lần [6] Hiện có nhiều phương pháp áp dụng để xử lý nước thải nhiễm KLN hóa học, hóa lý sinh học Mặc dù xử lý nước thải nhiễm KLN phương pháp hóa học hóa lý (kết tủa hóa học, oxy hóa-khử, trao đổi ion, keo tụ tạo cặn, hấp phụ, xử lý điện hóa, sử dụng màng,…) đạt tiêu chuẩn mơi trường cho phép phương pháp có chi phí xử lý cao sử dụng hóa chất, vật liệu đắt tiền, đồng thời tạo lượng cặn lớn từ kết tủa kim loại hóa chất tồn dư gây ô nhiễm thứ cấp cho môi trường Trong nước thải sở hàm lượng KLN cao cịn có hợp chất hữu cơ, ion sulfat, nitrate, amoni,…lẫn nước phương pháp hóa lý khó loại bỏ tạp chất Các phương pháp hố học phù hợp để xử lý kim loại nguồn nước thải cơng nghiệp hiệu phương pháp đạt cao nước có nồng độ cao kim loại cần xử lý Tuy nhiên, thực tế tồn sử dụng phương pháp Đó là, thành phần nhiễm dòng thải phức tạp, tồn nhiều yếu tố cản trở, nên hiệu xử lý không triệt để Do vậy, thực tế, sau xử lý biện pháp hóa học lại phải cần đến biện pháp xử lý bổ sung nhằm loại bỏ nốt lượng kim loại dư lại nước sau xử lý Do nồng độ dư kim loại nước nhỏ nên việc loại bỏ nốt vơ khó khăn Các phương pháp hóa học khơng cịn tác dụng biện pháp sinh học mang lại hiệu Sử dụng phương pháp sinh học (sử dụng thực vật thủy sinh, vật liệu hấp phụ sinh học vi sinh vật đặc hiệu) để xử lý nhiễm KLN có nhiều ưu điểm dễ ứng dụng, chi phí thấp thân thiện với môi trường Phương pháp nhiều nước quan tâm nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm KLN Nhật Bản, Đức, Thái Lan, Trung Quốc, Trong nghiên cứu này, mùn cưa từ trình chế biến gỗ sử dụng với hai mục đích hấp phụ chuyển hóa sinh học KLN nước thải Chính vậy, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải chứa kim loại nặng (Cr, Ni) mùn cưa kết hợp với hệ thống đất ngập nước nhân tạo” để nghiên cứu luận văn thạc sỹ mình, đối tượng nghiên cứu Việt Nam giới Có thể kết hợp mùn cưa với hệ thống đất ngập nước nhân tạo để làm tăng hiệu xử lý kim loại nặng có nước thải Mục đích đề tài - Đánh giá trạng ô nhiễm Cr, Ni, nước thải làng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội - Nghiên cứu quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chứa Cr, Ni mùn cưa phối hợp với thực vật thủy sinh Các tiếp cận phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra khảo sát: Thực việc điều tra, khảo sát nguồn thải gây ô nhiễm Cr, Ni, làng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội - Phương pháp tổng hợp kế thừa: Nghiên cứu kế thừa tài liệu liên quan đến mùn cưa thực vật dùng để xử lý ô nhiễm KLN - Phương pháp phân tích đánh giá số liệu: Đánh giá hàm lượng KLN phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử đo quang Phân tích đánh giá số tiêu COD, H S, số chất hữu hòa tan nước theo phương pháp phân tích thơng dụng hành - Phương pháp thực nghiệm khoa học: Sử dụng phương pháp bố trí thí nghiệm logic để đánh giá ảnh hưởng yếu tố liên quan đến hiệu xử lý kim loại nặng Các phương pháp xác định số thơng số cơng nghệ quy trình (tốc độ dòng chảy, thời gian lưu, hiệu suất xử lý, thông số thiết kế bể xử lý ) - Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: xin ý kiến đóng góp từ thầy cơ, người có liên quan hiểu biết lĩnh vực nghiên cứu Kết dự kiến đạt - Đánh giá trạng ô nhiễm Cr, Ni nước thải làng nghề kim khí Phùng Xá, Thạch Thất, Hà Nội - Báo cáo phân tích kết nghiên cứu q trình thủy phân mùn cưa phịng thí nghiệm qua nguồn vi sinh vật sử dụng - Đánh giá hàm lượng Cr, Ni mùn cưa ban đầu lên hiệu xử lý ô nhiễm quy mơ phịng thí nghiệm - Xây dựng quy trình cơng nghệ xử lý nước thải chứa Cr, Ni mùn cưa phối hợp với thực vật thủy sinh Đánh giá hiệu xử lý KLN quy trình CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan kim loại nặng 1.1.1 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng ảnh hưởng mơi trường a Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng Kim loại nặng môi trường tạo từ hai nguồn chủ yếu nguồn tự nhiên (các hoạt động núi lửa, lắng đọng từ khí quyển, phong hóa đá mẹ khống vật,…) nguồn nhân tạo (hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, khai khống, giao thơng…) Con người ngun nhân chủ yếu làm tăng hàm lượng kim loại nặng mơi trường q trình phát thải nước thải độc hại không xử lý xử lý không đạt yêu cầu Một số nơi ô nhiễm KLN thường gặp lưu vực nước gần khu công nghiệp, làng nghề khu vực khai thác khoáng sản  Khu cơng nghiệp: Các q trình sản xuất cơng nghiệp, q trình khai khống, q trình tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm nguồn gây nhiễm kim loại nặng mơi trường nước Thêm vào đó, hợp chất kim loại nặng sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện, nguồn đáng kể gây nhiễm kim loại nặng • Nguồn phát sinh Crơm: Crơm nói chung biết đến sản phẩm mạ crôm Hầu hết, quặng crôm sản xuất sử dụng sản xuất thép không rỉ Tuy nhiên, crôm kim loại chất không độc hại, hợp chất crôm dạng ion Cr3+, Cr6+ có độc tính Trong mơi trường nước, crơm chủ yếu xuất dạng Cr3+, Cr6+ Trong đó, Cr6+ xuất nước thải dạng hợp chất CrO 2- (pH >7) Cr O 2- (pH≤ 7) Các hợp chất crôm thêm vào nước làm lạnh để ngăn chặn ăn mòn Chúng sử dụng trình sản xuất như: - Tạo màu, nhuộm - Điện cực nhôm trình mạ kim loại mạ điện khác - Trong ngành cơng nghiệp hóa chất 65 10 Lại Thúy Hiền cs 2003 Nghiên cứu xử lý hỗn hợp KLN nước thải làng nghề khí Vân Chàng, Nam Định vi khuẩn khử sunfua nội Đề tài cấp Viện KHCN Việt Nam 11 Đặng Đình Kim 2004 Khả ứng dụng thực vật thuỷ sinh xử lý ô nhiễm thuỷ vực Hội thảo Khoa học “ứng dụng biện pháp sinh học cao chất lượng nước hồ Hà Nội” Liên hiệp Hội KHKT Hà Nội, 9-2004 12 Đặng Đình Kim cs., 2011 Nghiên cứu khả xử lý ô nhiễm KLN đất vùng khai thác khoáng sản thực vật Báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC08.08/06-10 13 Phạm Luận (1998), Cơ sở lý thuyết phương pháp phân tích phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử Phần I, Phần II Trường đại học khoa học - tự nhiên, Hà Nội 14 Nguyễn Văn Nội nnk, Nghiên cứu sử dụng mùn cưa biến tính để xử lý nước nhiễm dầu, 2001 Tuyển tập cơng trình khoa học- Hội nghị khoa học kỷ niệm 45 năm thành lập Khoa Hoá học, Hà Nội, tr.130-133 15 Phạm Thành Quân, Nguyễn Thượng Đẳng, Tống Thanh Danh, Nghiên cứu ứng dụng mùn cưa vải phế thải từ tràm vàng xử lý số kim loại nặng nước thải, Tạp chí hóa học, Vol.48, no.4C, pp 490-495, 2010 16 Phạm Thành Quân, Tống Thanh Danh, Nguyễn Viết Đức, Nghiên cứu khả xử lý kim loại nặng mùn cưa tràm vàng phương pháp hấp phụ trao đổi ion, Tạp chí hóa học, Vol.47, no.4A, pp 714-718, 2009 17 Trần Văn Tựa cs 2007 Nghiên cứu sử dụng loài thực vật thuỷ sinh điển hình cho xử lý nước thải cơng nghiệp chứa kim loại nặng nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm Đề tài cấp Viện KHCN Việt Nam 18 Bộ công thương Báo cáo “Nghiên cứu hợp chất lignin để xử lý kim loại nặng nước nước thải” Hà Nội 2010 19 Trần Văn Thắng, Hà Thị An, Nguyễn Minh Tuyển (2001),Nghiên cứu khử Cr6+ công ty dụng cụ khí xuất Hà Nội, Tạp chí Hố học, T 39, số 1, 2001, tr 84-88 66 20 Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, Báo cáo khoa học: “Hiện trạng môi trường sản xuất làng nghề thuộc ba tỉnh Hà Tây – Bắc Ninh – Hưng Yên” tháng 12/2000 21 Viện Khoa học Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN Các giải pháp cải thiện môi trường làng nghề tiểu thủ công nghiệp, Hà Nội 12/2000 22 Phạm Hồ Trương, 1993, Chuyển hóa phế liệu ligin - cellulose nhờ nấm sợi phương pháp lên men bán rắn, Luận án PTS 23 Lê Ngọc Tú cộng sự, 1982, Enzym VSV tập II, nhà xuất khoa học kỹ thuật 24a Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, 2006, Cẩm nang nghành lâm nghiệp, chương trình hỗ trợ ngành lâm nghiệm đối tác 24b Nhan Hồng Quang 2009 Xử lý nước thải mạ điện chứa Cr vật liệu Biomass Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Số (32) 1-9 Tài liệu tiếng Anh 25 Bhagat, M., et al 2004 Precipitation of mixed metal residues from wastewater utilizing biogenic sulphide." Miner Eng.17; p: 925-932 26 Beguin P, Aubert J 1994 The biological degradation of cellulose FEMS Microbiol Rev 13; p: 25–58 27 Evans T Musapatika et al 2012 Cobalt removal from wastewater using pine sawdust African Journal of Biotechnology 11 (19), p: 9407-9415 28 Kishor Kumar Singh et al 2011 Abatement of toxic heavy metals from highway runoff using sawdust as adsorbent Journal of Chemical and Pharmaceutical Research (1), p: 338 – 348 29 Leustek, T., und Saito, K (1999) "Sulfate transport and assimilation in plants." Plant Physiol.120: 637-643 30 Lawrence K Wang, Yung-Tse Hung, Nazih K Shammas (2010) Handbook of Advanced Industrial and Hazardous Wastes Treatment CRC Press Taylor & Francis Group pp 231-259 67 31 Preuß, V (2004) "Konkurrenz zwischen Methanogenen und Desulfurikanten bei der biochemischen Entsäuerung von Bergbauwässern bei Verwendung von Methanol als C-und Energiequelle " BTU Cottbuswassertechnik und Siedlungswasserbau56: 57-62 32 The Decomposition of Cellulose From Sylvia, D.M., Fuhrmann, J.J., Hartel, P.G.,& Zuberer, D.A (2005) Principles and Applications of Soil Microbiology 2nd edition, pg 298 33 One Possible Pathway of Lignin Decomposition From Sylvia, D.M., Fuhrmann, J.J., Hartel, P.G.,& Zuberer, D.A (2005) Principles and Applications of Soil Microbiology 2nd edition, pg 304 34 One Possible Pathway of Lignin Decomposition From Sylvia, D.M., Fuhrmann, J.J., Hartel, P.G.,& Zuberer, D.A (2005) Principles and Applications of Soil Microbiology 2nd edition, pg 304 35 Schwenn, J D and W J Cram (1997) Assimilatory reduction of inorganic sulphate.In: Sulphur metabolism in higher plants The Netherlands, Backhuys Publishers, Leiden: 39-58 36 Ola norrman, 1999, “home distillation handbook”, pp 141 37 http://gchudu.blogspot.com/2012/05/chu-trinh-krebs.html 38 http://www.botanyvn.com/cnt.asp?param=news&newsid=1431 39 http://environment.about.com/od/pollution/a/top_10_polluted.htm (Blackmis) 40 http://www.khoahoc.com.vn/print/45557.aspx (Mun cua + da voi) 41.http://nongnghiep.vn/nongnghiepvn/72/45/68/31018/Co-Huong-BaiGiai-phapxu-ly-moi-chat-thai-chan-nuoi.aspx 42.http://nongnghiep.vn/nongnghiepvn/72/45/68/31018/Co-Huong-BaiGiai-phapxu-ly-moi-chat-thai-chan-nuoi.aspx 43 http://thietbiloc.com/tin-nuoc/503-xu-ly-nuoc-thai-bang-cay-say J Viet Env.2014 Vol.6, No.1, pp.47-51 DOI: 10.13141/jve.vol6.no1.pp47-51 Phytoremediation of heavy metal polluted soil and water in Vietnam Sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng đất nước Việt Nam Research article Bui, Thi Kim Anh1*, Dang, Dinh Kim1, Nguyen, Trung Kien1, Nguyen, Ngoc Minh2, Nguyen, Quang Trung1, Nguyen, Hong Chuyen1 and Chu, Thi Thuy Linh Institute of Environmental Technology, VAST, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi, Vietnam; VNU University of Science, 334-Nguyen Trai, Hanoi, Viet Nam Phytoremediation has been intensively studied during the past decade due to its cost-effectiveness and environmental harmonies Most of the studies on treatment of heavy metal pollution in soil and water by plant species have been done in developed countries but are limited in Vietnam In this study, we presented some research results of phytoremediation of polluted soils and water with heavy metals that were done by Institute of Environmental Technology for several last years For treatment of heavy metal pollution in the water, some plants have great ability to accumulate heavy metals such as Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans and Enhydra fluctuans The heavy metal uptake into shoots and roots of 33 indigenous plant species in Thai Nguyen province was also determined Two species of the plants investigated, Pteris vittata L and Pityrogramma calomelanos L were As hyperaccumulators, containing more than 0.1% As in their shoots while Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus and Equisetum ramosissimum accumulated very high Pb (0.15-0.65%) and Zn (0.22-1.56%) concentrations in their roots Some experiments to clarify the potential of several plants as good candidates for phytoremediation of polluted soil by heavy metals were carried out in our institute Phương pháp sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm nghiên cứu nhiều thập kỷ qua chi phí thấp thân thiện với môi trường Hầu hết nghiên cứu xử lý ô nhiễm kim loại nặng đất nước thực vật thực nước phát triển có Việt Nam Trong nghiên cứu này, giới thiệu số kết dùng công nghệ thực vật để xử lý ô nhiễm kim loại nặng đất nước Viện Công nghệ môi trường năm gần Đối với xử lý ô nhiễm kim loại nặng nước, số thực vật có khả tích lũy tốt kim loại nặng Vetiveria zizanioides, Phragmites australis, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Ipomoea aquatica, Nypa fruticans Enhydra fluctuans Sự hấp thụ tích lũy kim loại nặng phần mặt đất rễ 33 loài thực vật địa Thái Nguyên xác định Hai loài thực vật khảo sát Pteris vittata Pityrogramma calomelanos lồi siêu tích lũy As, chứa 0,1% As phần mặt đất Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus Equisetum ramosissimum tích lũy Pb (0,15-0,65%) Zn (0,221,56%) cao rễ Một số thí nghiệm đánh giá tiềm số thực vật đối tượng tốt cho xử lý ô nhiễm kim loại nặng đất tiến hành phịng thí nghiệm Viện Công nghệ môi trường Keywords: Phytoremediation, * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com heavy metal, 47 pollution, potential plant http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 Brassica juncea Dang Thi An et al (2007) identified heavy metal concentrations of some vegetables Tran Kong Tau et al (2005) indicated the accumulation ability of Cd and Zn in Calendula officinalis, Acanthopanax aculeatus Tran Van Tua et al (2008) researched on the tolerance and accumulation of Pb, Cd, Cr, Ni and Zn in some plant species Diep Thi My Hanh et al (2007) investigated the Pb accumulation of Lantana camara In this paper, we present some research results of phytoremediation for polluted soil and water with heavy metals Introduction Pollution of soil and water is now a global problem and attracted attention of many countries due to its harmful effects with many aspects of environment and human life In Viet Nam, heavy metal pollution has been identified in many locations including urban areas as well as rural and mountainous ones For example, in Hanoi, Van Dien industrial zone including Van Dien Batteries factory, Synthetic Paint factory, Van Dien Phosphate Company and also Orion Hanel industrial zone have high risk of lead contamination (Le Hien Thao, 2004) The contamination in traditional villages is also an urgent problem There are about 1450 traditional villages, based on the survey results of 52 typical villages, of which 100% surveyed villages had caused environmental pollution Typically, the village recycling lead from batteries of Chi Dao commune, Van Lam district, Hung Yen province has 25 lead production units Every day, this commune produces 10 tons of lead and generates about ton of toxic dust (Dang Kim Chi et al., 2005) During the production, traditional villages released a large amount of significantly toxic chemicals into the environment via wastewater including many heavy metals such as Fe, Cr, Ni, Zn, and CN Mineral exploiting and processing industry discharge highly toxic substances such as Cd, Pb, Zn, Cu, As (Le Van Thanh et al, 2004) The average As concentration in waste stone samples was of 5000 mg/kg, exceeding the allowable standard of heavy metal in the soilmany times The concentration of other heavy metals in the stone samples were also very high (Cu: 1260 mg/kg; Pb: 105 mg/kg; Cd: 0.5 mg/kg; Se: 17 mg/kg, ) (Tiberon mineral company, 2004) In some communes of Ha Nam province, 94.4% wells water samples had very high As concentration, with was exceeded national technical regulation on drinking water quality (Pham Hung Viet et al., 2004) Materials and Methods 2.1 Plant species There are many methods for treating heavy metal pollution Although physicochemical methods are effective, they are complex, expensive, not environmental friendly and difficult to be applied on a large scale Phytoremediation is cost effective, environmental friendly and most suitable for developing countries (Ghosh et al., 2005) At present, more than 500 plant species of metal and metalloid hyperaccumulators have been reported in literatures (Hemen Sarma, 2011) b c d e f g Phytoremediation of polluted soil and water is soon studied in many countries (Salt DE et al., 1995, Raskin I et al., 1997, E Lombi et al., 2001) However, in Viet Nam, this study has been started only in recent years and its practical application is still limited Le Van Cat et al (2008) researched on NH + and As removal capability from contaminated water by Typha latifolia, Canna and Pennisetum purpureum Le Duc et al (2005) studied on Pb uptake of Ipomoea aquatica, Eichhornia crassipes and * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com a h i Figure 1: Plant species used in our experiments – (a) Pityrogramma calomelanos; (b) Pteris vittata; (c) Eleusine indica; (d) Brassica juncea; (e) Pennisetum purpureum; (f) Pistia stratiotes; (g) Eichhornia crassipes; (h) Vetiveria zizanioide; (i) Phragmites australis 48 http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 were 1, 3, 5, and 10 mg / l Preparing Cr6+, Cr3+ and Ni2+ sollutions by adding K Cr O , CrCl 6H O and NiSO H 0, respectively After 14 days experiment, the investigated plants were harvested and then washed with tap water to remove dust, rinsed with deionized water, and kept dried for 10 hour to evaluate the plant fresh weight The results showed that the tolerance of these species can be arranged in the following order: Vetiveria zizanioides > Phragmites australis > Eichhornia crassipes > Pistia stratiotes > Ipomoea aquatica > Nypa fruticans > Enhydra fluctuans A treating system of Cr and Ni in contaminated water was established at pilot scale by “root zone” technology Two plant species have a high tolerance to Cr and Ni (Vetiveria zizanioides and Phragmites australis) were selected for further studies in pilot scale (0.5m3.day-1) This system worked continuously in 23 weeks (Inlet wastewater is a mixture of electroplating wastewater contained Cr and Ni and animal husbandry wastewater) This inlet wastewater contained average concentrations of Cr6+, Cr3+, Ni2+, COD, T-N as T-P as follows: 1.9, 3.2, 3.88, 111.4, 42 and mg/l, respectively The plant species collected from contaminated sites and from the green house Some plant species were used for experiments such as Ceratophyllaceae, Eichhornia crassipes, Pistia stratiotes, Phragmites australis, Vetiveria zizanioides, Brassica juncea, Lantana camara, Eleusine indica, Pennisetum purpureum, Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos Taxonomy of the plant species were done by Assoc Prof Nguyen Xuan Phuong from the Institute of Ecology and Biological Resources, VAST The wastewater samples collected from electroplating industry and soil samples collected from the mining areas that were polluted by heavy metals served for the experiments 2.2 Heavy metal concentration analysis Digestion of heavy metals was conducted using US EPA 3051 method Concentrations of heavy metal in acid digests were quantified with an atomic absorption spectroscopy (AAS; AA-6800, Shimadzu, Japan) and on inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS, ELAN 9000, Perkin Elmer, USA) Results and Discussions 3.1 Heavy metal removal from water by plants By experimental studies, we have demonstrated heavy metal uptake and accumulation in some aquatic plant species For example, Eichhornia crassipes was likely to absorb Pb, Cr, Ni, Zn and Fe in industrial waste water, Nasturtium officinale L could remove Cr and Ni from electroplating wastewater Meanwhile, Ceratophyllum demersum L., Salvinia cucullata were likely to reduce Fe, Cu, Pb and Zn in Bay Mau lake, Hanoi Figure 2: Ni2+ removing capacity of Vetiveria zizanioides and Phragmites australis Treatment system consists of 03 cement tanks, each tank can contain 0.5 m3 water with rock in the bottom and sand at the top Control tank has no plant, The tanks growing Vetiveria zizanioides and Phragmites australis have plant density is 10 cm × 15 cm Each tank has 108 plants, fresh weight of each branch is of 60 gram FW After 23 weeks experiment at pilot scale, Ni treatment efficiencies of Vetiveria zizanioides, Phragmites australis and control reached 91.5%, 88.4% and 49.68%, respectively Concentration of Ni2+ in outlet of the control, Vetiveria zizanioides and Phragmites australis were 1.95, 0.33 and 0.45 mg/l, respectively (Fig.2) The evaluation on ability to remove Cr, Ni in water of some plant species has been done The plant species were capable of removing Cr and Ni from contaminated water The experiments on tolerance of plant species were evaluated, plant was washed and grown in clean water before days experimental set-up There were seven treatments sets with five replicates for each Each plastic pot contained liter water medium, with 70 gram fresh weight (FW) plant Cr and Ni concentrations in each pot * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com 49 http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 A B Figure 3: Cr6+ (A) and Cr3+ (B) removing capacity of Vetiveria zizanioides and Phragmites australis After 23 weeks experiment at pilot scale, Cr6+ treatment efficiencies of Phragmites australis and Vetiveria zizanioides were very high reaching 97.97% and 98.12%, respectively [Fig.3] The Cr6+ concentration in inlet wastewater of treatments was 1.92 mg/L, whereas the Cr6+ concentration in outlet of Vetiveria zizanioides and Phragmites australis tank were 0.053 and 0.047 mg/L respectively The inlet Cr3+ concentration of Vetiveria zizanioides and Phragmites australis tank was 3.218 mg/l, outlet of Vetiveria zizanioides and Phragmites were 0.2 and 0.24 mg/l, respectively The treatment efficiencies by Vetiveria zizanioides and Phragmites australis were 95.91% and 92.6%, respectively The outlet concentrations of Cr6+ and Cr3+ were under the limitation for industrial wastewater according to Vietnam standard (TCVN 5945-2005) 1201.4±147.3 and 4346.8±157.9 mgkg-1, respectively and in roots at 3756.9±145.7, 2194.4±155.7 and 3108.7±213.5 mgkg-1 Zn, respectively Our finding in Thai Nguyen province indicates that, two fern Pteris vittata L and Pityrogramma calomelanos L are suitable for As treatment in the mining soil of Ha Thuong, Dai Tu district, four grasses Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus and Equisetum ramosissimumare the best at keeping Pb, Zn concentrations in their root So we can use these grasses for phytostabilization of Pb and Zn in Tan Long, Dong Hy district 3.2 Heavy metal removal from soil by plants As, Pb and Cd accumulations of Brassica juncea were quite good All heavy metals (Cd, As and Pb) can be accumulated in roots more than in the shoots In trace concentration, the heavy metals can stimulate plant growth but with higher concentrations (Cd> 25 ppm, As> 200 ppm and Pb from 2000 to 3000 ppm) they inhibited the plant from growing When Pb concentration in soil was 3000 ppm, the Pb accumulation in shoots and roots were 202.9 and 2425.9 ppm, respectively While As and Cd concentrations in the soil was 25 ppm, the content in shoots and roots were 185.6 and 228.9 ppm (for As); 185.6 and 228.9 ppm (for Cd), respectively Brassica juncea can be used to remove As, Pb and Cd concentration in contaminated soil but it should be noted that this plant also a popular green vegetable for people Based on the screening results, we carried out some experiment concerning with the potential plants as good candidates for phytoremediation of heavy metal polluted soil 3.2.2 Brassica juncea 3.2.1 Screening potential plants for heavy metal removal A total of 33 different plant species samples were collected from four mining areas in Thai Nguyen province to identify the heavy metal concentrations in their roots and shoots The collected plant species can grow at the mine tailings or in the soils affected by mining waste The results showed that ferns, Pteris vittata L and Pityrogramma calomelanos L were capable of accumulating high arsenic concentrations As concentrations in shoot and root of Pteris vittata L were 5876.5±99.6 and 2642.5±72.3 mgkg-1, respectively; while these figures of Pityrogramma calomelanos L were 2426.3±104.5 and 2256±123.4 mgkg-1 Remarkably, a large amount of As from roots of these ferns was transposed to shoot, facilitating the removal of As from contaminated soil The Zn accumulating ability in some investigated plant species was quite high, e.g Equisetum ramosissimum, Cyperus rotundus and Eleusine indica with Zn accumulated in shoots at 1346.2±130.2, * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com 3.2.3 Vetiveria zizanioides In soil contaminated with Pb from 1400.50 to 2530.10 mg / kg, Vetiveria zizanioides still grew well after 90-day treatment Some charateristics of plant growing on Pb contaminated soil such as height, root length, biomass and the Chlorophyll concentration increased more than those 50 http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 on control soil (soil without Pb) Pb concentration analysis in soil after this experiment showed that, the Pb extraction effect from the contaminated soil by Vetiveria zizanioides could reach from 87% to 92.6% However, the average Pb accumulation in its shoots and roots were not high being only 24 and 349 ppm, respectively This species also can accumulate As and Cd taken from soil Many our further experiment results showed that feasibility of using Vetiveria zizanioides as phytostabilization agent for Pb, Cd and As in contaminated soils tolerance to Cr and Ni concentrations are Vetiveria zizanioides and Phragmites australis Screening research of 33 plant species in Thai Nguyen province indicated that two ferns Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos were suitable for As treatment in the mining soil of Ha Thuong, Dai Tu district Four grasses like Eleusine indica, Cynodon dactylon, Cyperus rotundus and Equisetum ramosissimum were the best in accumulating Pb, Zn in their roots Other investigated plant species like Brassica juncea, Pennisetum purpureum, Vetiveria zizanioides were potential to remediate the soil contaminated with As, Cd, Pb and Zn 3.2.4 Eleusine indica Eleusine indica can be used for remediating the soil contaminated with Pb and Zn Results of the survey showed that this plant can grow in the waste area of lead, zinc processing factory Analyzing Pb and Zn concentration in soil and plants showed that if soil contained 4316.96 ppm Pb, there would have 664.45 and 4638.17 ppm Pb in shoots and roots of the plant, respectively; if soil contained 1000 ppm Zn, there would have 761.6 and 2011.3 ppm in shoots and roots, respectively Eleusine indica could grow well at the concentration of Pb and Zn in soil lower than 5000 and 1000 ppm, respectively Acknowledgments This research was funded by the Vietnam Academy of Science & Technology (VAST) and Vietnam National Foundation for Science & Technology Development (NAFOSTED) References [1] Bui Thi Kim Anh, Dang Dinh Kim, Tran Van Tua, Nguyen Trung Kien, Do Tuan Anh 2011 Phytoremediation potential of indigenous plants from Thai Nguyen province, Vietnam Journal of 3.2.5 Pennisetum purpureum When Pb concentration in the soil was 3600 ppm, Pb accumulated levels in shoot and root of the plant were 164.3 and 1009.1 ppm, respectively When Cd concentration in soil was 31.5 ppm, the Cd accumulated concentrations in shoot and root of the species were 5.7 and 320.1, respectively Some other result showed that, the grass accumulated Pb and Cd mainly in roots and the plant grown in the soil with higher heavy metal concentration could accumulate them higher in their biomass Environmental Biology 32: 257-262 [2] Dang, T A., Chu, T T H., Dao, T C T 2007 Some characteristics of the flora in Pb-, Cd-polluted areas in Tan Long, Dong Hy, Thai Nguyen Proceedings of the 2nd National Scientific Conference on Ecology and Biological Resources, Hanoi 26 October 2007 (Sections of Fauna and Flora of Vietnam & Ecology and Environment): 297301 (in Vietnamese) [3] Diep, T M H., Garnier, Z E 2007 Lantana camara L, - the plant species can accumulate Pb in the polluted soil Science and Technology Development Journal 10(1):35-38 (in Vietnamese) [4] Ghosh, M., Singh, S P 2005 A review on Phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproduct Applied Ecology and Environmental Research 3(1): 1-18 [5] Hemen, S 2011 Metal Hyperaccumulation in plants: A review focusing on phytoremediation technology J Environ.Sci Technol (2): 118-138 [6] Le, D 2005 Cu, Mn and Mo concentration in some main kind of soils in the south of Vietnam Soil Science Journal 10:193-196 (in Vietnamese) [7] Le, V C., Tran, M P., Le, V L 2008 Simultaneous removal of ammonium and arsenic from ground water by phytofiltration Intern.Sci Conference on “Chemistry for development and intergration, Sept.12-14/2008 Hanoi, Vietnam Proceedings: 679-688 (in Vietnamese) 3.2.6 Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos Two ferns Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos can grow in the mining soil containing 15,146 ppm As Although they are As hyperaccumulators, the plants still have ability to accumulate Cd, Pb and Zn Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos can tolerate 5000 and 4000 ppm Pb; 1200 and 300 ppm Cd, respectively The highest level of As accumulation in Pteris vittata and Pityrogramma calomelanos are 6042 and 4034 ppm (in the fronds); 3756 and 2256 (in the roots), respectively From to months after growing there is appropriate time for harvesting biomass plants if applied in practical processing Conclution Base on the evaluate Cr and Ni tolerance of seven potential plant species, two plant species having a highest * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com 51 http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 [8] Le, V T 2004 Mining exploitation and impact to the environment Proceeding of mining technical science conference, the sixteenth Cua Lo, 7/2004 (in Vietnamese) [9] Nguyen, T C., Tran, V T., Dang, D K., Do, T, A., Le, T T 2008 The study of Pb accumulation in polluted soil by Vetiver grass (Vetiveria zizanioides) Science and Technical Journal 46(6A): 26-26 (in Vietnamese) [10] Raskin, I., Smith, R D., Salt, D E 1997 Phytoremediation of metals: Using plants to remove pollutants from the environment, Curr Opin Biotechnol, 8(2): 221-226 [11] Salt D.E., Blaylock M., Kumar P.B.A.N., Dushenkov V., Ensley B.D., Chet I and Raskin I 1995 Phytoremediation: A novel strategy for the removal of toxic metals from envrionmental using plants Biotechnology, Vol 13: 468-474 [12] Tiberon mineral Ltd, 2004 Environmental impact assessment report of Nui Phao project, Dai Tu, Thai Nguyen (in Vietnamese) [13] Tran, C T., Dang, T A., Dao, T K H 2005 Some first results on Phytoremediation Soil Science Journal 23: 156-158 (in Vietnamese) [14] Tran, V T., Nguyen, D T., Do, T A., Nguyen, T K., Tran, N N 2008 Treatment of Ni and Cr contained wastewater by root zone method Journal of Science and technology 46(6A): 40-45 (in Vietnamese) [15] US EPA 3051 Method (1994) Microwave-assisted acid digestion of sediments, sludges, soils and oils (pp 1–14) Technical Report, Washington, District of Columbia [16] TCVN 5945-2005 Discharge standards for industrial waste water (in Vietnamese) [17] Le Hien Thao.2004 Seminar on "Current status of heavy metal pollution in Vietnam", Institute of Environment and Natural Resources, VNU HCM, pages (in Vietnamese) [18] Dang Dinh Kim 2010 Study on phytoremediation of heavy metal - contaminated soils in mining areas National project KC08.04/06-10, (in Vietnamese) [19] Dang Kim Chi, Nguyen Ngoc Lan, Tran Le Minh 2005 Vietnam craft village and vnvironment, publishing by scientific and engineering, 391 pages * Corresponding author E-mail: buianh78@yahoo.com 52 http://dx.doi.org/10.13141/JVE ISSN 2193-6471 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AMD Acid Mine Drainage CNMĐ Công nghiệp mạ điện COD Chemical Oxygen Demand CT Công thức CW Constructed wetland ĐC Đối chứng KH&KT Khoa học kỹ thuật KLN Kim loại nặng QCVN Quy chuẩn cho phép TCCP Tiêu chuẩn cho phép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Thí nghiệm VSV Vi sinh vật PHỤ LỤC Hình Hình ảnh mùn cưa trước sau bổ sung nước Hình Hình ảnh mẫu sau 30 ngày đặt thí nghiệm Hình Đối chiếu mẫu mùn cưa ban đầu mẫu mùn cưa sau ngâm 73 ngày Hình Hình ảnh mùn cưa trước sau tháng thủy phân Hình Một số nghiên cứu phịng thí nghiệm Hình Thí nghiệm xử lý Ni, Cr3+ nồng độ 50-150mg/l phịng thí nghiệm Hình Thí nghiệm xử lý Cr6+ vật liệu khác nhau, đá, mùn cưa hỗn hợp đá vôi, mùn cưa Hình Hệ thống xử lý nước thải chứa KLN ngồi trại thí nghiệm Hình Mơ hình hệ thống xử lý nước thải chứa KLN ngồi trại thí nghiệm Hình 10 Hệ thống xử lý nước thải chứa KLN ngồi trại thí nghiệm