Nghiên cứu áp dụng công nghệ thực vật kết hợp vật liệu sét tự nhiên xử lý nước thải chế biến khoáng sản chì kẽm Chợ Đồn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Đức Trung NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ THỰC VẬT KẾT HỢP VẬT LIỆU SÉT TỰ NHIÊN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CHÌ KẼM CHỢ ĐỒN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Đức Trung NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ THỰC VẬT KẾT HỢP VẬT LIỆU SÉT TỰ NHIÊN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CHÌ KẼM CHỢ ĐỒN Chuyên ngành: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mã số: 60440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải TS Nguyễn Thị Hoàng Hà XÁC NHẬN HỌC VIÊN ĐÃ CHỈNH SỬA THEO GÓP Ý CỦA HỘI ĐỒNG Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng chấm luận văn thạc sĩ khoa học PGS.TS Nguyễn Mạnh Khải PGS.TS Nguyễn Thị Loan Hà Nội, 2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ảnh hƣởng kim loại nặng tới sức khỏe ngƣời 1.1.1 Asen (As) 1.1.2 Cadimi (Cd) 1.1.3 Mangan (Mn) 1.1.4 Chì (Pb) 1.1.5 Kẽm (Zn) 1.2 Tổng quan đặc điểm môi trƣờng khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 1.2.1 Hiện trạng công nghệ khai thác, chế biến quặng mỏ chì kẽm 1.2.2 Công nghệ xử lý chất thải mỏ chì kẽm 11 1.2.3 Hiện trạng môi trƣờng nƣớc khu vực mỏ chì kẽm 12 1.3 Khả sử dụng vật liệu tự nhiên để xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 14 1.4 Tổng quan biện pháp xử lý ô nhiễm thực vật 16 1.4.1 .Xử lý ô nhiễm kim loại nặng thực vật 16 1.4.2 Công nghệ sử dụng đất ngập nƣớc xử lý môi trƣờng 18 1.4.3 Một số loại thực vật có khả xử lý ô nhiễm kim loại nặng khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 21 1.4.4 Tổng quan chung sậy (Phragmites austraulis) 23 CHƢƠNG II ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Đối tƣợng địa điểm nghiên cứu 26 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 26 2.2.1 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu 26 2.2.2 Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm 27 2.2.3 Phƣơng pháp xử lý phân tích mẫu 31 CHƢƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33 3.1 Kết phân tích mẫu vật liệu 33 3.2 Hiệu xử lý kim loại nặng hệ thống vật liệu - bãi lọc trồng 35 3.2.1 Các giá trị pH, COD, BOD5 môi trƣờng nƣớc 35 3.2.2 Hiệu xử lý kim loại nặng 37 3.3 Hàm lƣợng kim loại vật liệu sậy sau thí nghiệm 43 3.3.1 Sự tích lũy kim loại nặng vật liệu 43 3.3.2 Sự tích lũy kim loại nặng sậy 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC HÌNH 55 DANH MỤC HÌNH Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy tự bề mặt 19 Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy ngang 20 Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy thẳng đứng điển hình xử lý nƣớc thải hộ gia đình 20 Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm 28 Hình Thiết kế hệ thống dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 29 Hình Hệ pilot 50l/ngày đêm sử dụng vật liệu hệ thống dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 30 Hình Kiểm tra, điều chỉnh mẫu nƣớc chế bị lấy mẫu nƣớc đầu 31 Hình pH nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 35 Hình BOD5 nƣớc chảy qua dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 36 Hình 10 COD nƣớc chảy qua dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 37 Hình 11 Hàm lƣợng Mn nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 38 Hình 12 Hàm lƣợng Zn nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 39 Hình 13 Hàm lƣợng Cd nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 40 Hình 14 Hàm lƣợng Pb nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 41 Hình 15 Hàm lƣợng As nƣớc chảy qua cột vật liệu, dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 42 Hình 16 Lƣợng kim loại nặng dung dịch so với lƣợng kim loại nặng tích lũy cột vật liệu 43 Hình 17 Hàm lƣợng Mn tích lũy sậy 44 Hình 18 Hàm lƣợng Zn tích lũy sậy 45 Hình 19 Hàm lƣợng Cd tích lũy sậy 45 Hình 20 Hàm lƣợng Pb tích lũy sậy 46 Hình 21 Hàm lƣợng As tích lũy sậy 46 DANH MỤC BẢNG Bảng Một số loại thực vật có khả xử lý KLN khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 21 Bảng Diện tích tổng sản lƣợng sậy số khu vực giới 24 Bảng Hàm lƣợng kim loại nƣớc thải (mg/l) 27 Bảng Thành phần hóa học mẫu bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn 33 Bảng Thành phần khoáng vật mẫu nguyên khai mẫu vật liệu SBC-400-10S 34 Bảng Hệ số tích lũy (BCF) hệ số vận chuyển (TF) 48 MỞ ĐẦU Ô nhiễm nƣớc vấn đề hữu tất quốc gia giới Những hoạt động nhân sinh nhƣ khai khoáng, luyện kim, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Trong tác nhân gây ô nhiễm nƣớc kim loại nặng tác nhân nguy hại hàng đầu Kim loại nặng thƣờng không tham gia vào trình chuyển hóa sinh vật nên chúng thƣờng tích lũy thể sinh vật, chuỗi thức ăn thâm nhập vào thể ngƣời Việc gia tăng dân số việc đẩy mạnh công nghiệp hóa, đại hóa thúc đẩy công nghiệp khai thác chế biến khoáng sản Ở Việt Nam, số mỏ hoạt động gần 900 mỏ, mỏ khoáng sản kim loại khoảng 90 mỏ Hoạt động thải lƣợng chất thải lớn có chứa kim loại nặng nhƣ Cu, Cd, Zn, Pb, Mn, As, Cr,…vào môi trƣờng đất nƣớc Chúng nguyên nhân gây nhiễm độc nguồn nƣớc, tích lũy thể ngƣời gây hàng loại bệnh thần kinh, xƣơng, ung thƣ, … Việc xử lý ô nhiễm, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng vùng khai thác chế biến khoáng sản cấp bách Có nhiều công nghệ tiên tiến đƣợc nghiên cứu áp dụng giới để xử lý ô nhiễm kim loại nặng Tuy nhiên công nghệ phần lớn đòi hỏi chi phí cao Công nghệ sử dụng vật liệu hấp phụ thực vật địa để xử lý ô nhiễm thƣờng có chi phí rẻ, hiệu cao thân thiện với môi trƣờng Việc tìm loại vật liệu thực vật thích hợp, có sẵn địa phƣơng đem lại hiệu mặt kinh tế có tính khả thi cao Đề tài “Nghiên cứu áp dụng công nghệ thực vật kết hợp vật liệu sét tự nhiên xử lý nước thải chế biến khoáng sản chì kẽm Chợ Đồn” đƣa quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ tƣ nhiên quy trình công nghệ xử lý kết hợp xử lý nƣớc thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn với mục tiêu chủ yếu nhƣ sau: - Đánh giá thực trạng ô nhiễm kim loại nặng nƣớc thải mỏ khu vực Chợ Đồn, Bắc Kạn; - Nghiên cứu, chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải mỏ quặng sắt Bản Cuôn, Bắc Kạn; - Đánh giá hiệu xử lý kim loại nặng hệ thống bãi lọc trồng kết hợp vật liệu hấp phụ Công trình nghiên cứu đƣợc tài trợ kinh phí đội ngũ khoa học thuộc Đề tài khoa học cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu, áp dụng công nghệ tích hợp địa môi trƣờng - địa sinh thái nhằm ngăn ngừa, xử lý ô nhiễm môi trƣờng nƣớc số điểm lƣu vực sông vùng Tây Bắc” (Mã số KHCN-TB.02C/13-18) thuộc Chƣơng trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nƣớc giai đoạn 20132018 “Khoa hộc Công nghệ phục vụ phát triển bền vững vùng Tây Bắc” TS Nguyễn Thị Hoàng Hà làm chủ nhiệm, học viên làm cán đƣợc tham gia thực Học viên trân trọng cảm ơn đề tài Chủ nhiệm đề tài cho phép học viên sử dụng thông tin, liệu kết nghiên cứu thuộc đề tài để thực luận văn tốt nghiệp CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Ảnh hƣởng kim loại nặng tới sức khỏe ngƣời 1.1.1 Asen (As) Asen chất có độc tính cao Con ngƣời bị phơi nhiễm As qua hít thở không khí, hấp thu thức ăn qua nƣớc uống Một lƣợng nhỏ As nƣớc đe dọa đến sức khỏe ngƣời phần lớn hợp chất As nƣớc uống dạng vô độc Hai dạng tồn As vô vơ đƣợc tìm thấy môi trƣờng arsenite (As hóa trị hay As III) arsenate (As hóa trị hay As V) [10] Độc tính As phụ thuộc vào trạng thái tồn Các dạng hợp chất vô hữu As hóa trị (III) có độc tính cao dạng hóa trị (V) [22] Nhiễm độc As thƣờng qua đƣờng hô hấp tiêu hoá dẫn đến thƣơng tổn da nhƣ tăng hay giảm màu da, tăng sừng hoá, ung thƣ da phổi, ung thƣ bàng quang, ung thƣ thận, ung thƣ ruột Ngoài ra, As gây bệnh khác nhƣ: to chƣớng gan, bệnh đái đƣờng, bệnh sơ gan Khi thể bị nhiễm độc As, tuỳ theo mức độ thời gian tiếp xúc biểu triệu chứng với tác hại khác nhau, chia làm hai loại sau: Nhiễm độc cấp tính [28] - Qua đƣờng tiêu hoá: Khi anhydrit arsenous chì arsenate vào thể biểu triệu chứng nhiễm độc nhƣ rối loạn tiêu hoá (đau bụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều thể bị nƣớc ) Bệnh tƣơng tự nhƣ bệnh tả dẫn tới tử vong từ 12-18 Trƣờng hợp sống, nạn nhân bị viêm da tróc vảy viêm dây thần kinh ngoại vi Một tác động đặc trƣng bị nhiễm độc As dạng hợp chất vô qua đƣờng miệng xuất vết màu đen sáng da - Qua đƣờng hô hấp (hít thở không khí có bụi, khói As): có triệu chứng nhƣ: kích ứng đƣờng hô hấp với biểu ho, đau hít vào, khó thở; rối loạn thần kinh nhƣ nhức đầu, chóng mặt, đau chi; tƣợng xanh tím mặt đƣợc cho tác dụng gây liệt As mao mạch Ngoài có tổn thƣơng mắt nhƣ: viêm da mí mắt, viêm kết mạc Nhiễm độc mãn tính [28] Nhiễm độc As mãn tính gây tác dụng toàn thân cục Các triệu chứng nhiễm độc As mãn tính xảy sau - tuần, biểu nhƣ sau: - Tổn thƣơng da, biểu hiện: ban đỏ, sần mụn nƣớc, tổn thƣơng kiểu loét phần da hở, tăng sừng hoá gan bàn tay bàn chân, nhiễm sắc (đen da As), vân trắng móng (gọi đám vân Mees) Ung thƣ da xảy tiếp xúc với As nhƣ thƣờng xuyên hít phải As thời gian dài da liên tục tiếp xúc với As - Rối loạn thần kinh có biểu nhƣ: viêm dây thần kinh ngoại vi cảm giác vận động, biểu độc As mãn tính Ngoài ra, có biểu khác nhƣ tê đầu chi, đau chi, bƣớc khó khăn, suy nhƣợc (chủ yếu duỗi ngón tay ngón chân) - Nuốt phải hít thở As không khí cách thƣờng xuyên, liên tiếp dẫn tới tổn thƣơng, thoái hoá gan, dẫn tới xơ gan - Rối loạn toàn thân ngƣời tiếp xúc với As nhƣ gầy, chán ăn Ngoài tác dụng cục thể ngƣời tiếp xúc tính chất ăn da hợp chất As, với triệu chứng nhƣ loét da gây đau đớn vị trí tiếp xúc thời gian dài loét niêm mạc mũi, dẫn tới thủng vách ngăn mũi 1.1.2 Cadimi (Cd) Cadimi thƣờng đƣợc sử dụng công nghệ mạ điện, sơn, luyện kim, chế tạo đồ nhựa Cadimi đƣợc dùng để sản xuất pin Ag-Cd - Bentonit: loại khoáng đƣợc cấu tạo chủ yếu từ khoáng vật nhóm smectit, bao gồm: montmoriloit, beidelit, nontronit vài khoáng vật phổ biến khác Đây loại khoáng có khả hấp phụ tốt có diện tích bề mặt lớn, trƣơng nở tốt, khả trao đổi ion cao Tuy nhiên loại khoáng có độ độ dẻo cao nên dễ bị phân tán rửa trôi nƣớc Đồng thời mỏ bentonit chất lƣợng tốt Việt Nam xa khu vực Chợ Đồn - Vermuculit: loại khoáng có khả hấp phụ tốt Mặc dù khả trƣơng nở tƣơng đối nhƣng chúng lại có dung tích trao đổi cation lớn Tại miền bắc có số mỏ vermuculit Lào Cai, Yên Bái, Phụ Thọ, gần khu vực tỉnh Bắc Kạn Tuy nhiên vercumulit loại nguyên liệu khoáng ứng dụng nhiều ngành công nghiêp có giá thành cao - Diatomit: loại khoáng vật có kích thƣớc nhỏ, tính thấm tốt, độ xốp cao, có diện tích bề mặt lớn Diatomit có khả hấp phụ kim loại nặng tƣơng đối tốt Tuy nhiên, tƣơng tự nhƣ bentonit, nguồn diatomit không sẵn có khu vực Bắc Kạn, chủ yếu tập trung khu vực Trung Bộ Tây Nguyên phí sử dụng loại vật liệu tốn - Kaolinit: loại khoáng tƣơng đối phong phú Việt Nam Ở miền bắc, kaolinit phân bố tỉnh nhƣ Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Lào Cai, Thái Nguyên, Hà Giang, Tuyên Quang Loại vật liệu có giá thành tƣơng đối thấp Tuy nhiên kaolinit lại loại vật liệu có khả hấp phụ tốt nên xem xét sử dụng loại vật liệu trƣờng hợp không sử dụng đƣợc vật liệu Để tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có địa phƣơng, nên chọn vật liệu sắt khu vực mỏ sắt Bản Cuôn, mỏ Pù Ổ huyện Chợ Đồn để đảm bảo hiệu kinh tế Đặc biệt nên xem xét nguồn bùn thải từ trình tuyển quặng để nâng cao hiệu kinh tế, đồng thời tăng khả tận dùng nguồn tài nguyên giá trị hạn chế ô nhiễm môi trƣờng vùng mỏ.Cần quan tâm đến ảnh hƣởng yếu tố môi trƣờng, đặc biệt độ pH cƣờng độ ion đến khả hấp phụ vật liệu xử lý, cần kiểm soát chặt chẽ phù hợp để đạt hiệu suất xử lý tối ƣu 15 1.4 Tổng quan biện pháp xử lý ô nhiễm thực vật 1.4.1 Xử lý ô nhiễm kim loại nặng thực vật Xử lý ô nhiễm thực vật (phytoremediation) phƣơng pháp sử dụng thực vật để tách chiết, cô lập khử độc chất ô nhiễm thông qua trình hóa, lý, sinh học (Cunningham Ow,1996) Phƣơng pháp đƣợc đánh giá công nghệ xử lý ô nhiễm hiệu quả, thân thiện với môi trƣờng chi phí thấp Thực vật có phản ứng khác có mặt ion kim loại môi trƣờng sôngs Hầu hết loại thực vật nhạy cảm với ion kim loại Tuy nhiên có số loại thực vật khả sống đƣợc môi trƣờng bị ô nhiễm kim loại độc hại mà có khả hấp thụ tích lũy kim loại phân chúng Trong thực tế công nghệ xử lý ô nhiễm thực vật phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ: dễ trồng, có khả vận chuyển chất ô nhiễm từ đất lên nhanh, chống chịu đƣợc với nhân tố ô nhiễm cho sinh khối nhanh Điều bị ảnh hƣởng mối quan hệ qua lại thực vật với đất, chất ô nhiễm, hệ vi sinh vật đất Công nghệ xử lý ô nhiễm thực vật Hiện việc sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm phổ biến, đƣợc áp dụng nhiều nơi cho nhiều loại chất ô nhiễm khác Việc xử lý ô nhiễm thực vật thực nhiều phƣơng pháp khác nhƣ: Công nghệ cố định chất ô nhiễm (Phytostabilization): đƣợc áp dụng để xử lý đất bị ô nhiễm kim loại nặng chất hữu kỵ nƣớc cách sử dụng loại cỏ có rễ sợi, ƣa nƣớc ngầm hấp thụ hay hấp phụ chất ô nhiễm vào rễ, làm giảm khả di động chúng môi trƣờng Công nghệ chiết xuất thực vật (Phytoextraction): công nghệ sử dụng thực vật để hấp thụ kim loại nặng đất vào rễ vận chuyển chúng lên 16 phận Tại đó, chất ô nhiễm đƣợc tích lũy thu hồi lại sau xử lý sinh khối Công nghệ bay qua (Phytovolatilization): sử dụng số loại thực vật nhƣ Cải xanh (Brassica juncea), số ngập nƣớc để loại bỏ As, Se, Hg, hợp chất hữu kỵ nƣớc bay khỏi đất Thông qua hoạt động sống cây, chất đƣợc hấp thụ, bị biến đổi thành dạng thoát không khí Ngày nay, danh mục 450 loài thực vật có khả hấp thụ cao kim loại đƣợc công bố Các họ thực vật chiếm ƣu số loài có khả siêu hấp thụ Asteraceae, Brassicaceae, Caryopyllaceae, Cyperaceae, Conouniaceae, Fabaceae, Flacuorticeae, Lamiaceae, Poaceae, Violaceae Euphobiaceae Cơ chế sinh học thực vật xử lý kim loại nặng Rễ chiếm khoảng 20-50% sinh khối thực vật, có vai trò hút thu nguyên tố từ đất vận chuyển lên phần sinh khối mặt đất Cây hút thu đƣợc kim loại nặng đất cần di động kim loại đất Sự di động thực số cách: Những phần tử tạo phức với kim loại tồn vùng rễ dạng phức hòa tan kim loại có đất Hiện trình tách chiết kim loại thực vật đƣợc thực chủ yếu cách tạo phức với đất Tuy nhiên trình thuận lợi sử dụng hợp chất có sẵn tự nhiên Rễ làm giảm ion kim loại đất màng đặc biệt gắn với chất khử kim loại, chất khử làm thay đổi tính chất kim loại Ví dụ nhƣ đậu Hà Lan thiếu sắt đồng tăng khả khử Cu2+ Fe3+, hai kim loại với làm tăng khả hút thu Cu, Mn, Fe Mg cậy Rễ thực vật hòa tan kim loại nặng đất cách axit hóa môi trƣờng đất đẩy ion dƣơng kim loại khỏi phức Một chế tƣơng tự đƣợc nghiên cứu qua di chuyển Fe số loại thực vật hai mầm thiếu sắt 17 Rễ phối hợp với hệ vi sinh vật đất vùng rễ để làm tăng khả hấp thu kim loại nặng đất Tuy nhiên ý nghĩa hệ vi sinh vật xử lý ô nhiễm thực vật nhiều điều chƣa sáng tỏ Sự hút thu chất nhƣ Fe, Mn, Cd, Zn thực vật thuận lợi nhờ khu hệ vi sinh vật vùng rễ 1.4.2 Công nghệ sử dụng đất ngập nƣớc xử lý môi trƣờng Theo Công ƣớc Ramsar, vùng đất ngập nƣớc (wetlands) đƣợc xác định là: Những vùng đầm lầy, miền đầm lầy, vùng đất than bùn, vùng đất tù tự nhiên nhân tạo, tồn lâu dài hay tạm thời, có nƣớc tĩnh nƣớc chảy, nƣớc ngọt, nƣớc lợ hay nƣớc mặn, bao gồm vùng nƣớc biển có độ sâu không mét triều kiệt Tất vùng đất ngập nƣớc có đặc điểm chung xuất nƣớc bề mặt cách liên tục không liên tục Vùng đất ngập nƣớc có nhiều vai trò quan trong hệ sinh thái nhƣ: điều hòa dòng chảy, tạo môi trƣờng sống cho nhiều loài sinh vật cải thiện môi trƣờng nƣớc Dòng chảy qua vùng đất ngập nƣớc tƣơng đối chậm tạo điều kiện cho loại vật chất hữu vô có thời gian tiêp xúc với hệ sinh vật khu đất ngập nƣớc dài Một lƣợng lớn chất đƣợc lƣu giữ, hết hợp với điểm giao môi trƣờng không khí môi trƣờng nƣớc tạo điều cho hệ vi sinh vật có khả phân hủy, chuyển hóa lƣợng lớn chất phát triển Nhiều vùng đất ngập nƣớc tự nhiên đƣợc coi hệ thống xử lý nƣớc thải tự nhiên Công nghệ sử dụng bãi lọc trồng (constructed wetlands) đƣợc coi phần công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm Bãi lọc trồng hệ thống kỹ thuật đƣợc thiết kế xây dựng để tận dụng phƣơng pháp tự nhiên bao gồm thực vật, đất tổ hợp vi khuẩn nhằm hỗ trợ cho việc xử lý nƣớc thải (Brix, 1989) Thí nghiệm sử dụng bãi lọc trồng thực vật vỹ mô (macrophyte) cho xử lý nƣớc thải đƣợc thực Đức vào đầu năm 1950 (Vymazal, 2010) Hệ thống bãi lọc trồng xử lý hiệu chất hữu mầm bệnh (Brix, 1987) 18 Có số kiểu bãi lọc trồng nhƣ: hệ thống bãi lọc chảy tự bề mặt, hệ thống bãi lọc chảy ngầm ngang hệ thống bãi lọc chảy ngầm đứng Hệ thống bãi lọc chảy tự bề mặt: có hình dạng tƣơng tự nhƣ đất ngập nƣớc tự nhiên, bao gồm lƣu vực nƣớc nông, đất chất khác, loại thực vật bán nổi, thiết bị kiểm soát mực nƣớc Dòng thải chảy tự bề mặt hệ thống ) Khi nƣớc thải chảy qua bãi lọc trồng cây, trình lắng đọng, lọc, oxi hóa, khử, hấp phụ kết tủa xử lý chất gây ô nhiễm Phƣơng pháp áp dụng phổ biến cho xử lý nâng cao cho dòng thải qua xử lý sơ cấp Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy tự bề mặt (Nguồn: Vymazal J 2010) Hệ thống bãi lọc chảy ngầm ngang: Trong hệ thống nƣớc thải đƣợc đƣa vào từ đầu vào, chạy chậm qua lớp chất xốp nhiều đƣờng nằm ngang để tới đầu Khi qua đƣờng này, dòng nƣớc thải tiếp xúc với vùng hiếu khí, kị khí thiếu khí Vùng hiếu khí xung quanh rễ thân rễ, nơi oxy thấm vào chất Nƣớc thải đƣợc làm nhờ tác động vi sinh vật, trình vật lý hóa học 19 Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy ngang (Nguồn: Vymazal J 2010) (1-Khu vực phân phối có lấp đầy đá kích thước lớn; 2-Lớp lót chống thấm; 3-Môi trường trung gian (sỏi, đá vụn); 4-Thực vật; 5-Mực nước nền; 6-Khu vực tập trung có lấp đầy đá kích thước lớn; 7-Tập hợp ống thoát nước;c 8-Cửa xả để trì mực nước) Hệ thống bãi lọc chảy ngầm đứng: có lớp dƣới cát sỏi Nƣớc thải đƣợc cấp vào phía thấm xuống qua lớp nền, đƣợc thu lại hệ thống rãnh gom nƣớc phía dƣới Hình Mô hình bãi lọc trồng dòng chảy thẳng đứng điển hình xử lý nƣớc thải hộ gia đình (Nguồn: Vymazal J 2010) 20 Hệ thống bãi lọc trồng kết hợp: số hệ thống bãi lọc kết hợp đƣợc vận hành nhằm đạt đƣợc hiệu cao xử lý nƣớc thải Hệ thống kết hợp phổ biến gồm: thống bãi lọc trồng dòng chảy thẳng đứng - dòng chảy ngang (VF - HF systems), hệ thống bãi lọc dòng chảy ngang - dòng chảy dọc (HF - VF systems) 1.4.3 Một số loại thực vật có khả xử lý ô nhiễm kim loại nặng khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn Dựa theo kết đề tài mã số KHCN-TB.02C/13-18, số loại thực vật có khả xử lý kim loại nặng đƣợc tìm thấy khu vực nghiên cứu: Bảng Một số loại thực vật có khả xử lý KLN khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn STT Tên la tinh Tên Việt Nam Họ Bidens pilosa L Đơn buốt Asteraceae Commelina diffusa Burn F Thài lài trắng Commelinaceae Eleusine indica (L.) Gaertn Cỏ mần trầu Poaceae Equisetum diffusum D.Don Mộc tặc trãi Equisetum Houttuynia cordata Thunb Giấp cá Saururaceae Ludwigia adscendens (L.) Hara Rau dừa nƣớc Onagraceae Nephrolepis cordifolia (L.) Presl Ráng móng trâu tím Onagraceae Pteris vittata L Ráng sẹo gà dải Pteridaceae Polygonum pubescence Blume Nghể lông Polygonaceae 10 Scirpus juncoides Roxb Hoàng thảo hến Cyperaceae 11 Phragmites australis Sậy Poaceae 12 Thysanolaena maxima (Roxb.) Cỏ chít Poaceae 21 Dựa vào tiêu chí: (1)- Mọc phổ biến khu vực nghiên cứu (2)- Có khả sinh trƣởng, phát triển môi trƣờng nƣớc thải khu mỏ chì kẽm (3)- Có khả tích lũy kim loại nặng cao (4)- Có sinh khối lớn (5)- Thích nghi với điều kiện dòng chảy động loại thực vật có khả xử lý nƣớc thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn là: Equisetum diffusum D.Don, Pteris vittata L., Phragmites australis Thysanolaena maxima (Roxb.) Các kết thí nghiệm với loài thực vật tiềm đƣợc thực đề tài mã số KHCN-TB.02C/13-18 cho thấy E diffusum D.Don có khả xử lý tốt nhất, Pteris vittata L có khả xử lý As tốt nhất, P australis có hiệu suất xử lý Fe Pb tốt Kết thí nghiệm cho thấy khác biệt đáng kể khả xử lý Fe, Mn, Cd Zn loài thực vật Tuy nhiên, trình thí nghiệm cho thấy P vittata L thích nghi với môi trƣờng nƣớc 1-3 ngày đầu thí nghiệm, sau đó, có khả xử lý nhƣng bắt đầu bị héo úa chết 80-90% sau thí nghiệm Nhƣ vậy, P vittata L khả thích nghi với môi trƣờng ngập nƣớc thƣờng xuyên Thysanolaena maxima (Roxb.) có sinh khối lớn, mọc phổ biến khu vực mỏ chì kẽm Chợ Đồn; nhiên khả xử lý thấp số loài Equisetum diffusum D.Don P australis có khả xử lý tốt kim loại môi trƣờng nƣớc Bên cạnh đó, loài thực vật mọc phổ biến khu vực nghiên cứu Tuy nhiên P australis có sinh khối cao, có khả thích nghi với giá thể đất sỏi Equisetum diffusum D.Don có sinh khối thấp, sinh trƣởng tốt giá thể đất tỷ lệ chết trồng nhân rộng cao Do đó, P australis đƣợc lựa chọn để thử nghiệm khả xử lý nƣớc thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn kết hợp với vật liệu bùn thải mỏ sắt biến tính 22 1.4.4 Tổng quan chung sậy (Phragmites austraulis) Giới thiệu sậy (Phragmites austraulis) Cây sậy loài lớn thuộc họ Hòa thảo (Poaceae), thân thẳng, rỗng cứng, chiều cao lên tới 6m Lá sậy bao gồm phiến (phần trên) bẹ (phần thấp hơn) cách lƣỡi bẹ Các phần dƣới bẹ thƣờng bao trùm kín xung quanh Lá sậy cứng, hình mác, dài từ 20-40cm, rộng từ 1-4cm Lƣỡi bẹ màng chồi bề mặt khớp nối phiến bẹ Nó từ màng mỏng phát triển thành chồi non Trong sậy, lƣỡi bẹ đƣợc viền rìa lông.Thân sậy nhẵn, bóng, thƣờng có màu đỏ màu hạt dẻ phần gốc Rễ sậy tạo thành mạng lƣới dày đặc dƣới mặt đất thân rễ kéo dài xuống khoảng nửa mét Rễ phát triển theo chiều ngang phát triển mét Lúc gieo trồng mật độ thƣa thớt nhƣng sau thời gian tăng trƣởng phát triển nhanh chóng tạo thành bãi Sậy Sậy phát triển phát tán nhờ hoa Sậy, đƣợc phát tán nhờ gió nƣớc, thông qua chuyển động rễ thân rễ mảnh Hoa Sậy có chiều dài từ 20 70cm, dày đặc với nhiều nhánh, non hoa có màu nâu nhƣng sau hoa có màu bạc trắng Sự phân bố sậy Cây sậy có nguồn gốc vùng đất lầy khu vực nhiệt đới ôn đới giới Sự phân bố sậy rộng, kéo dài từ vùng ôn đới lạnh đến vùng đất ngập nƣớc vùng nhiệt đới nóng ẩm Sậy có khả sống nơi nhƣ sƣờn đồi bờ kè, nơi mà mực nƣớc ngầm nằm cao gần bề mặt Và nơi sống thích hợp chúng vùng chuyển giao dòng sông, hồ, đầm lầy lớn Vì mà chúng phát tán nhanh rộng khắp nƣớc giới Ngoài ra, sậy sinh trƣởng phát triển tốt gần khu vực khai thác chế biến mỏ 23 Bảng Diện tích tổng sản lƣợng sậy số khu vực giới Khu vực Năm Diện tích (ha) Tổng sản lƣợng (tấn) Phần Lan 60000 2006 150000 Nam Thụy Điển 230000 2012 115000 Hà Lan 9000 - - Hồ Neusield, Úc 60000 - 28500 Anh 7700 2013 - Estonia 27899 - 88368 Hungary 26200 - - Vùng nƣớc mặn, lợ, vùng 1800000 1991 - 484000 2004 2600000- triều nƣớc Mĩ Vùng tây bắc, bắc, đông bắc phía đông bờ biền 2700000 Trung Quốc Iraq 17300 2000 - (Nguồn: Kobbing nnk ,2013) Cây sậy xử lý ô nhiễm Việc sử dụng sậy hệ thống đất ngập nƣớc nghiên cứu đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm đến để xử lý chất ô nhiễm môi trƣờng Cây sậy có khả xử lý hiệu chất hữu chất rắn lơ lửng Hiệu suất xử lý BOD5, COD TSS đồng Sông Cửu Long khoảng tƣơng ứng 47 -71, 68-84 94,99 - 99% [8] Xử lý nƣớc thải khu vực nông thôn đạt hiệu suất xử lý số BOD, COD, TSS đạt 64,5; 68 79,7% [18] Xử lý chất ô nhiễm Bắc Mĩ đạt hiệu suất 94 - 97% TSS 89 - 93% COD Khả xử lý số BOD, tổng N - P qua rễ sậy lên đến 8895% [13] 24 Đối với hệ thống đất ngập nƣớc với dòng chảy dọc, hiệu suất loại bỏ Ni nƣớc thải đô thị đạt hiệu suất 89,4 - 92,1% Ở nồng độ 1mg/l khả hấp thụ kim loại Fe lên đến 100% khả loại bỏ Fe đạt hiệu từ 70 95% Hiệu suất xử lý chất hữu cao 46,9 - 81,7 % ammonianitrogen 93,7 - 95,5% nitrate-nitrogen [15] Sậy loài thực vật đƣợc quan tâm nghiên cứu để loại bỏ kim loại nặng có khả tích lũy kim loại nặng sinh khối dƣới hệ rễ tốt, khả sinh trƣởng nhanh, thích nghi với nhiều điều kiện khí hậu khác Kết nghiên cứu Lê Văn Nhạ cho thấy việc sử dụng sậy để loại bỏ chất ô nhiễm nƣớc sinh hoạt đạt hiệu cao: 92 -95% hợp chất hữu (amonii, nitrat, photphat) số oxy hoá (BOD, COD) Đối với nƣớc thải công nghiệp có chứa kim loại nặng nhƣ Cr, Cu, Al, Pb, Zn, Fe, hiệu xử lý đạt tới 90 - 100%, nƣớc sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại B, chất rắn lơ lửng đạt loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT Cây sậy có khả loại bỏ nhiều chất ô nhiễm, đặc biệt nitơ Trong môi trƣờng đầm lầy, sậy có hệ rễ phát triển cho phép vận chuyển lƣợng lớn oxi vào môi trƣờng chất nền, qua tạo điều kiện hiếu khí cho phản ứng nitrat hóa [5] Kết nghiên cứu Đặng Văn Minh cho thấy khả nặng loại bỏ kim loại nặng đất sậy cao: hàm lƣợng Pb giảm 299,32 (mg/kg); Cd 3,32 (mg/kg); As 11,19 (mg/kg) giảm 14,52 lần so với ban đầu hàm lƣợng kim loại sau đƣợc xử lý nằm giới hạn cho phép QCVN 03:2011/BTNMT đất công nghiệp [3] Fletcher cộng tiến hành thí nghiệm sử dụng sậy môi trƣờng có giá thể zeolit đá vôi để loại bỏ kim loại nặng Kết môi trƣờng vùng đất ngập nƣớc zeolit đạt hiệu cao so với đá vôi Hiệu suất xử lý kim loại nặng As, Fe, B môi trƣờng đất ngập nƣớc zeolit đạt 99,9 - 96,1 - 12% vùng đất ngập nƣớc đá vôi 99,8 - 87,3 - 17% [19] Từ kết nghiên cứu thấy thấy sậy có khả xử lý tốt chất ô nhiễm có nƣớc thải từ hoạt động khai thác chế biến khoáng sản: kim loại nặng, chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng,… 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Tuấn Anh (2010), Báo cáo tổng hợp đề tài: Nghiên cứu thành phần kèm kiểu tụ khoáng kim loại kim loại quý hiến có triển vọng miền Bắc Việt Nam nhằm nâng cao hiệu khai thác chế biến khoáng sản bảo vệ môi trường, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội Phạm Hoàng Hộ, 1999, Cây cỏ Việt Nam, Nhà xuất Trẻ Đặng Văn Minh (2011), Nghiên cứu biện pháp cải tạo, phục hồi sử dụng đất canh tác sau khai thác khoáng sản Thái Nguyên, Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn Nguyễn Trung Minh (2012), Báo cáo tổng hợp đề tài: Nghiên cứu chế tạo sản phẩm hấp phụ sở nguyên liệu khoáng tự nhiên bazan, đá ong, đất sét để xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng asen, Viện Địa chất - Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Lê Văn Nhạ (2010), Nghiên cứu công nghệ xử lý nguồn nước mặt bị ô nhiễm vùng nông thôn công nghệ sinh thái, Đề tài cấp nhà nƣớc, KC07/06-10 Trình Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (2004), Giáo trình công nghệ môi trường, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội Trịnh Thị Thanh (2009), Sức khỏe môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Ngô Thụy Diễm Trang Hans Brix (2012), “Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt hệ thống đất ngập nƣớc kiến tạo cát vận hành với mức tải nạp thủy lực cao”, Tạp chí Khoa học, 21, pp.161-171 Phạm Tích Xuân (2011), Báo cáo tổng hợp đề tài: Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng bãi thải khai thác chế biến khoáng sản kim loại đến môi trường sức khỏe người đề xuất biện pháp giảm thiểu, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội 51 Tiếng Anh 10 Abernathy C O., David J.Thomas, Rebecca L Calderon (2003), “Health effects and risk assessment of arsenic”, 2003 American Society for Nutrition Sciences Pp 1536-1538 11 Afrous A , Manshouri M , Liaghat A , Pazira E , Sedghi H (2011), “Mercury and arsenic accumulation by three species of aquatic plants in Dezful, Iran”, African Journal of Agricultural Research Vol 6(24), pp 5391-5397 12 Al-Akeel K., A.J.Reynolds and A J.Choudhary (2009), “Phytoremediation of Waterways Using Reed Plants”, Heavy metals in sediment anh remediation technologies, pp 430-433 13 Brix H (1987), “Treatment of wastewater in the Rhizosphere of wetland plants - the root-zone method”, Water Science Technology, 19, pp 107-118 14 Brix H., Schierup H H (1989), “The use of aquatic macrophytes in water pollution control”, Ambio 18, pp 100-107 15 Byoung H L and Scholz M.(2007), “What is the role of Phragmites australis in experimental constructed wetland filters treating urban runoff?”, Ecological engineering, 29, pp.87-95 16 Cunningham S D., and David W Ow (1996), “Promise and Prospect of Phytoremediation”, Plant Physiol, Vol 110, 1966 17 Enkelejda K, and Uran A (2015), “Assessment of heavy metals in sediments and Phragmites australis in tirana river, Albania”, European Journal of Physical and Agricultural Sciences Vol No 2, 2015, pp 54-61 18 Erkan K (2011), “Investigation of decontamination effect of Phragmites australis for Konya domestic wastewater treatment”, Journal of Medicinal Plants Research, 5, pp 6571-6577 19 Fletcher T.D., K.L Allende and D.T.McCarthy (2014),“The influence of media type on removal of arsenic, iron and boron from acidic wastewater in horizontal flow wetland microcosms planted with Phragmites australis”, Chemical Engineering Journal, 246, pp 217-228 52 20 Ghosh M., Singh S P (2005), “A review on phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts”, Applied ecology and environmental research, (1), pp 1-18 21 Ha N.T.H , Sakakibara M , Sano S (2011), “Accumulation of Indium and other heavy metals by Eleocharisacicularis: An opiton for phytoremediation and phytomining”, Bioresour Technol 102, pp 2228-2234 22 Kevin R Henke, 2009, Arsenic:Environmental Chemistry, Health Threats and Waste Treatment, John Wiley & Sons 23 Kobbing J K.,Thews N and Zerbe S (2013), “The utilisation of reed (Phragmites autralis): A Review”, Mires and Peat, Volume 13 (2013/14), Article 01, 1-14 24 Mariana R and Brisson J (2014), “Pollutant removal efficiency of native versus exotic common reed (Phragmites australis) in North American treatment wetlands”, Ecological Engineering, 74, pp.364-370 25 Nga T.T.H , Ha N.T.H (2016), “Simultaneous removal of some heavy metals and arsenic from aqueous solutions by Phragmites autralis”, Journal of Science and Technology, Vol 54-2A, pp 259-265 26 Takarina N.D and Pin T.G (2015), “Bioconcentration Factor and Translocation Factor of Copper (Cu) in Avicennia sp, at Rawameneng and Blanakan Ponds, Subang Regency, West Java, Indonesia”,International Journal of Marine Science, 59, pp 1-5.s 27 U.S Department of health and human services (2005), Toxicological profile for zinc, Georgia, America 28 U.S Department of health and human services (2007), Toxicological profile for asenic, Georgia, America 29 U.S Department of health and human services (2007), Toxicological profile for lead, Georgia, America 30 U.S Department of health and human services (2012), Toxicological profile for cadmium, Georgia, America 53 31 U.S Department of health and human services (2012), Toxicological profile for manganese, Georgia, America 32 Vaičekonytė R , Kiviat E , Nsenga F and Ostfeld A (2014), An exploration of common reed (Phramites autralis) bioenergy potential in North America, Mires and Peat 13 (12), pp 1-9 33 Vymazal J (2010), Contructed Wetlands for Wastewater Treatment, Water 2010,2, 530-549 34 Vymazal J and Brezinova T (2016), “Accumulation of heavy metals in aboveground biomass of Phragmites australis in horizontal flow constructed wetlands for wastewater treatment: A review”, Chemical Engineering Jourmal, 290, pp.232 - 242 54 ... ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Đức Trung NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ THỰC VẬT KẾT HỢP VẬT LIỆU SÉT TỰ NHIÊN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CHÌ KẼM CHỢ ĐỒN Chuyên ngành:... thích hợp, có sẵn địa phƣơng đem lại hiệu mặt kinh tế có tính khả thi cao Đề tài Nghiên cứu áp dụng công nghệ thực vật kết hợp vật liệu sét tự nhiên xử lý nước thải chế biến khoáng sản chì kẽm Chợ. .. chì kẽm Chợ Đồn đƣa quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ tƣ nhiên quy trình công nghệ xử lý kết hợp xử lý nƣớc thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn với mục tiêu chủ yếu nhƣ sau: - Đánh giá thực trạng ô