NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP xử lý nƣớc THẢI KHAI THÁC và CHẾ BIẾN KHOÁNG sản CHÌ, kẽm tại TỈNH bắc kạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Sỹ Chính NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI KHAI THÁC VÀ CHẾ BIẾN KHOÁNG SẢN CHÌ, KẼM TẠI TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Môi trường đất nước Mã số: 62440303 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2017 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Mai Trọng Nhuận PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải Phản biện 1: …………………………… Phản biện 2: …………………………… Phản biện 3: …………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Vào hồi ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Quặng hóa Pb-Zn thuộc phạm vi tỉnh Bắc Kạn chiếm tới 80% trữ lượng Pb-Zn nước, mỏ chì kẽm Chợ Đồn tụ khoáng chì kẽm lớn nước ta khai thác đem lại hiệu kinh tế cao Tuy nhiên, bên cạnh giá trị mà nguồn khoáng sản đem lại vấn đề ô nhiễm môi trường hoạt động khai thác chế biến khoáng sản gây Một quan ngại lớn môi trường khu vực mỏ chì kẽm Chợ Đồn ô nhiễm môi trường nước với tác nhân ô nhiễm As, Mn, Pb, Zn, Cd Như vậy, khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn lựa chọn để nghiên cứu chi tiết phục vụ luận án xử lý ô nhiễm kim loại nặng nước dựa tiêu chí: tính đại diện cho mỏ Pb-Zn vùng Bắc Kạn, môi trường bị ô nhiễm ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Vấn đề đặt nghiên cứu, xây dựng áp dụng công nghệ đáp ứng mục tiêu: (1) ngăn ngừa xử lý ô nhiễm môi trường; (2) giảm chi phí ngăn ngừa xử lý ô nhiễm; (3) thân thiện với môi trường Mục tiêu thứ (4) đề xuất công nghệ nhằm hướng tới xử lý tận gốc vấn đề ô nhiễm môi trường, hạn chế đến mức tối đa chất ô nhiễm phát sinh sau xử lý Vì vậy, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản chì, kẽm tỉnh Bắc Kạn” để thực nhằm cung cấp sở khoa học việc kết hợp vật liệu tự nhiên thực vật địa để xử lý ô nhiễm kim loại nặng nước Mục tiêu - Chế tạo vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt; - Lựa chọn thực vật có khả xử lý tốt kim loại nặng nước; - Xây dựng giải pháp sử dụng tích hợp vật liệu thực vật để xử lý KLN; - Áp dụng thành công giải pháp nói quy mô pilot 5m3/ngày đêm khu chế biến Lũng Váng, huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Giải pháp kết hợp vật liệu tự nhiên thực vật địa phương xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản mỏ Chợ Đồn cho thấy việc ứng dụng chúng vào thực tế Việt Nam có nhiều triển vọng Kết nghiên cứu góp phần tích cực phát triển hướng nghiên cứu kết hợp công nghệ Việt Nam Những đóng góp đề tài - Vật liệu biến tính chế tạo tù bùn thải chế biến mỏ sắt thực vật địa phương Sậy (Phragmites) có khả xử lý tốt kim loại nặng nước thải khu mỏ chì, kẽm; - Mô hình sử dụng vật liệu biến tính kết hợp với thực vật giải pháp hiệu xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản chì, kẽm khu vực Lũng Váng (Chợ Đồn – Bắc Kạn) có triển vọng ứng dụng khu vực khác có điều kiện tương tự CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Hiện trạng khai thác chế biến khoáng sản chì kẽm 1.1.1 Hiện trạng khai thác chế biến chì kẽm giới Trên giới, 80% mỏ kẽm mỏ hầm lò, 8% mỏ lộ thiên, lại mỏ kết hợp hai dạng Các hình thức chế biến chì - kẽm giới bao gồm: Nung thiêu kết, phương pháp thủy luyện kim, phương pháp hỏa luyện kim 1.1.2 Hiện trạng khai thác chế biến chì kẽm Việt Nam Điểm khai thác chế biến quặng Pb-Zn tập trung chủ yếu tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Tuyên Quang Hà Giang 1.1.3 Hiện trạng khai thác chế biến chì kẽm khu mỏ Chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn 1.1.3.1 Khái quát khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn Khu vực mỏ chì kẽm Chợ Đồn vùng quặng có chất lượng tốt trữ lượng lớn nước ta, tìm kiếm thăm dò khai thác mức độ khác Khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn gồm khu chính: + Bắc Chợ Đồn (Chợ Điền): Lũng Hoài, Đèo An, Bình Chai, Phia Khao, Popen, khu chế biến + Nam Chợ Đồn: Nà Bốp, Pù Sáp, Ba Bồ, khu chế biến 1.1.3.2 Công nghệ khai thác chế biến khoáng sản Khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn tồn phương thức khai thác khoáng sản gồm khai thác lộ thiên khai thác hầm lò Công tác khai thác giới hóa với mức độ thấp chủ yếu bán giới thủ công Quặng chì kẽm nguyên khai sau khai thác mỏ Chợ Đồn đưa xưởng chế biến sau (Hình 1.6): Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ chế biến chì kẽm 1.1.3.3 Hiện trạng xử lý nước thải Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải Pb-Zn (Hình 1.7) Hình 1.7 Mô hình xử lý nƣớc thải qua hồ lắng khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 1.1.3.4 Tác động ô nhiễm đến môi trường nước * Tại khu vực khai thác - Khai thác lộ thiên tạo điều kiện phân tán nguyên tố quặng nguyên tố kèm vào đất vào nguồn nước xung quanh - Công tác khai thác hầm lò đổ đá thải, nước tháo khô mỏ đổ xung quanh nơi khai thác làm ô nhiễm nguồn nước mặt * Tại khu vực xưởng tuyển Xung quanh khu vực xưởng tuyển quặng thải lượng chất thải lớn, gồm bùn cát từ xưởng tuyển tro xỉ từ xưởng bột kẽm đổ vào thung lũng xung quanh Những chất thải chứa kim loại quặng nguyên tố kèm, nhiều năm chúng phân tán môi trường xung quanh gây ô nhiễm nguồn nước Bùn thải dẫn vào hồ thải có đập chắn, đất cát lắng lại Nước từ dòng bùn thải tràn qua đập xuống hồ thải lại bơm lên tái sử dụng Phần chảy tràn vào nhánh suối gây ô nhiễm nguồn nước suối 1.2 Vật liệu xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.2.1 Cơ chế hấp phụ vật liệu 1.2.1.1 Khái niệm hấp phụ Là trình di chuyển ion từ pha lỏng sang pha rắn, ion tiếp xúc bị giữ tâm hấp phụ vật liệu hấp phụ thông qua dạng liên kết 1.2.1.2 Bản chất hấp phụ Là dựa nguyên tắc chất gây ô nhiễm tan nước hấp phụ qua bề mặt số chất rắn 1.2.1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ Dung môi, chất chất hấp phụ bị hấp phụ, nhiệt độ, nồng độ pH, thời gian 1.2.1.4 Tính chất hấp phụ vật liệu Đặc điểm nguyên liệu khoáng thành phần khoáng vật, diện tích bề mặt độ lỗ rỗng, tính phân cực môi trường nước, khả trao đổi cation, giá trị điểm điện tích không… 1.2.2 Một số vật liệu sử dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước 1.2.2.1 Các khoáng vật phyllosilicat 1.2.2.2 Các khoáng vật aluminosilicat vô định hình 1.2.2.3 Các oxit/hydroxit sắt nhôm 1.2.2.4 Các khoáng vật tectosilicat (zeolit) 1.2.2.5 Các khoáng vật chứa photpho 1.2.2.6 Vật liệu hữu 1.2.3 Các phương pháp nâng cao hoạt tính vật liệu hấp phụ 1.2.3.1 Phương pháp nhiệt hóa 1.2.3.2 Phương pháp biến tính hoạt hóa bề mặt 1.2.3.3 Phương pháp phủ bọc 1.2.3.4 Phương pháp chèn lớp tạo cột chống 1.2.3.5 Nhiệt dịch /zeolit hóa 1.3 Thực vật xử lý ô nhiễm kim loại nặng 1.3.1 Khái quát sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm Sử dụng thực vật xử lý ô nhiễm thực nhiều phương pháp khác phụ thuộc vào chế (Bảng 1.1) [9, 92] Công nghệ Tách chiết Lọc Cố định Bay Bảng 1.1 Các công nghệ chế xử lý ô nhiễm thực vật Cơ chế xử lý ô nhiễm Chất ô nhiễm Thực vật hấp thụ, tích lũy, kết tủa chuyển chất ô nhiễm Vô từ môi trường ô nhiễm vào sinh khối Sử dụng rễ thực vật để xử lý chất ô nhiễm Vô cơ/ hữu Vùng rễ làm giảm tính linh động chất ô Vô nhiễm, tạo phức chất ô nhiễm Thực vật hấp thụ chất ô nhiễm vận chuyển lên lên Vô cơ/ hữu Phân hủy sau chuyển hóa thành dạng giải phóng vào khí Thực vật hấp thụ hợp chất hữu phức tạp phân hủy thành phân tử có cấu trúc đơn giản Hữu 1.3.2 Sử dụng bãi lọc trồng Là hệ thống công trình xử lý nước thải kiến thiết tạo dựng mô có điều chỉnh theo tính chất đất ngập nước tự nhiên với trồng chọn lọc Mục đích để tận dụng lợi trình tự nhiên liên quan đến thảm thực vật đất ngập nước, môi trường có kiểm soát để xử lý nước thải Thành phần đất ngập nước bao gồm nước, sinh vật lớp với tỷ lệ thành phần khác tùy thuộc vào đất ngập nước Yếu tố ảnh hưởng: Chế độ dòng chảy , thành phần hóa-lý, lớp sinh vật Bãi lọc trồng sử dụng vật liệu (sỏi, đá, cát, gạch ) khác Thực vật thường loại thủy sinh lưu niên, thân thảo, thân xốp, dễ chùm, mặt nước, ngập hẳn nước, hay trồng nước thân nhô lên mặt nước Bãi lọc trồng chia làm nhóm chính: bãi lọc trồng dòng chảy mặt bãi lọc trồng dòng chảy ngầm với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng 1.3.3 Một số kết nghiên cứu khả xử lý kim loại thực vật Trên giới: Một số loài thủy sinh nghiên cứu có khả loại bỏ kim loại nặng nước lục bình (Eichornia crassipes), bèo (Lemna minor L.), cỏ muỗi nước (Oenathe javanica), rau diếp nước (P stratiotes), thủy xương bồ (Lepironia articulate) rau má (Hydrocotyle umbellata L.) Tại Việt Nam Một số thực vật có khả tích lũy tốt kim loại nặng Việt Nam bao gồm cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides), sậy (Phragmites australis), bèo tây (Eichhornia crassipes), bèo (Pistia stratiotes), rau muống (Ipomoea aquatic), dừa nước (Nypa fruticans) rau ngổ (Enhydra fluctuans) 1.3.4 Khả xử lý kim loại nặng Sậy Cây sậy (Phragmites australis) đánh giá loài thực vật tiềm việc làm nguồn nước thải sở tuyển quặng thiếc Thái Nguyên CHƢƠNG ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Nước thải: Nước thải chứa hàm lượng kim loại As, Pb, Mn, Zn, Cd - Vật liệu: Bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn (huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn) biến tính nhiệt độ thủy tinh lỏng cho phù hợp với đối tượng xử lý: As, Pb, Mn, Zn, Cd - Thực vật: Cây Sậy (Phragmites australis) thu thập Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn 2.2 Phạm vi nghiên cứu Nước thải khai thác chế biến khoáng sản chì kẽm khu chế biến Lũng Váng thuộc khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn (huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn) có thành phần ô nhiễm KLN As, Pb, Mn, Zn, Cd 2.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải khu chế biến sắt đánh giá khả xử lý ô nhiễm KLN; Nghiên cứu khả xử lý KLN Sậy; Nghiên cứu xây dựng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật để xử lý KLN nước; Nghiên cứu áp dụng giải pháp quy mô pilot 5m3/ngày đêm khu chế biến chì kẽm Lũng Váng (Chợ Đồn – Bắc Kạn) 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Phương pháp kế thừa, chọn lọc tổng hợp tài liệu 2.3.2 Khảo sát thực địa lấy mẫu nghiên cứu 2.3.3 Phương pháp xử lý mẫu phân tích mẫu 2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 2.4 Phƣơng pháp thực nghiệm 2.4.1 Chế tạo đánh giá khả xử lý vật liệu hấp phụ 2.4.1.1 Chế tạo vật liệu hấp phụ Vật liệu hấp phụ chế tạo từ bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn, tỉnh Bắc Kạn Quy trình chế tạo vật liệu hấp phụ tóm tắt sơ đồ sau: Nguyên liệu địa phương → Bùn thải quặng sắt khai → Sấy khô→ Nghiền → Xác định đặc tính → Pha trộn (thủy tỉnh lỏng, nước) → Ép định hình dạng vật liệu → Nung → Vật liệu hấp phụ → Đánh giá khả hấp phụ → Sử dụng cho mô hình tích hợp vật liệu địa phương thực vật địa 2.4.1.2 Thí nghiệm độ bền vật liệu sau chế tạo Cân g vật liệu cân phân tích cho vào lọ sạch, ghi nhãn tên mẫu, ghi thời gian ngày thí nghiệm Cho 100 ml nước cất vào lọ Thí nghiệm tiến hành khoảng thời gian tháng để khảo sát độ tan hạt vật liệu 2.4.1.3 Thí nghiệm xác định điểm điện tích không (pHPZC) vật liệu Xác định biến đổi pH trước sau kết thúc thí nghiệm: ∆pH= pHi-pHf Trong đó: pHi pH trước thực thí nghiệm pHf: pH sau thực thí nghiệm 2.4.1.4 Thí nghiệm ảnh hưởng khối lượng hạt vật liệu đến khả hấp phụ Chuẩn bị dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20mg/L nồng độ chất điện phân NaNO3 0,01M, điều chỉnh pH ~5,5 Cân vật liệu với khối lượng khác nhau: 1g, 2g, 4g, 8g cân phân tích cho vào lọ sạch, ghi nhãn tên mẫu khối lượng tương ứng Sau biết nồng độ kim loại lại sau hấp phụ, ta tính dung lượng hấp phụ vật liệu theo công thức: ( ) Trong đó: qe: dung lượng hấp phụ vật liệu (mg/kg); Co: nồng độ ion kim loại ban đầu (mg/l); Ce: nồng độ ion kim loại trạng thái cân hấp phụ thiết lập (mg/l); m: khối lượng vật liệu (g); V: thể tích dung dịch (ml) Sau xây dựng đường biểu diễn mối quan hệ q tỷ lệ khối lượng vật liệu nhằm lựa chọn khối lượng vật liệu phù hợp cho việc thiết kế thí nghiệm Tính hiệu suất hấp phụ vật liệu với kim loại theo công thức sau: ( Trong đó: Co: nồng độ ion kim loại ban đầu (mg/l) ) Ce: nồng độ ion kim loại trạng thái cân hấp phụ thiết lập (mg/l) 2.4.1.5 Thí nghiệm ảnh hưởng thời gian tiếp xúc đến khả hấp phụ Cho 100ml dung dịch Mn, Pb, Zn, Cd, As có nồng độ 20mg/L chuẩn bị vào lọ ghi nhãn thời gian khác có chứa 2g vật liệu cân Sau đó, tiến hành lắc khoảng thời gian khác nhau: 10, 30, 60, 180, 720 1440 phút với tốc độ 120 vòng/phút, trình lắc ý kiểm soát pH ~5,5 Sau sử dụng phương pháp AAS xác định hàm lượng KLN Thực thí nghiệm lặp để đảm bảo độ tin cậy 2.4.1.6 Thí nghiệm ảnh hưởng nồng độ đến khả hấp phụ Chuẩn bị dung dich Mn, Pb, Zn, Cd, As với nồng độ ban đầu Co khác nhau: 2,5 mg/L; mg/L; 10 mg/L; 20 mg/L; 50 mg/L, nồng độ chất điện phân NaNO3 0,01 M, chỉnh pH ~ 5,5 Cân 2g khối lương vật liệu cân phân tích (độ xác đến 10-4g) rối cho vào lọ đựng dung dịch phía Sau 24h, sử dụng màng lọc cỡ 0,45µm lọc lấy dung dịch, xác định hàm lượng Mn, Pb, Zn, Cd, As sau hấp phụ theo phương pháp AAS 2.4.1.7 Thí nghiệm hấp phụ cột Thiết kế thí nghiệm Thí nghiệm hấp phụ cột tiến hành sử dụng hạt vật liệu điều kiện dòng chảy liên tục, vận tốc dòng chảy không đổi Các vật liệu hấp phụ sử dụng thí nghiệm bao gồm: SBC2-R-15S, SBC2-400 SBC2-400-10S Sơ đồ thí nghiệm hấp phụ cột mô tả hình 2.9 Hình 2.9 Sơ đồ hấp phụ dạng cột Thí nghiệm hấp phụ cột xem bình phản ứng bên trong, chèn 50g hạt vật liệu vào cột nhựa có dung tích 60ml dòng chảy hướng lên Sử dụng ống thông khí van điều khiển cho nước vào cột qua hạt vật liệu hấp phụ có tốc độ dòng chảy 2ml/phút tương đương với thời gian lưu giữ dung dịch kim loại nặng cột hấp phụ khoảng 30 phút Các thí nghiệm hấp phụ cột tiến hành nhiệt độ phòng Vận tốc dòng chảy kiểm tra hàng ngày dựa vào số liệu thể tích dung dịch chảy biến đổi khoảng thời gian cho Tiến hành lấy mẫu thí nghiệm phân tích phương pháp AAS Tiến hành lấy mẫu thí nghiệm liên tục vòng 16 ngày với khoảng thời gian: 1h, 3h, 6h, 12h, 1N, 2N, 3N, …., 16N Đo giá trị pH Eh thời điểm lấy mẫu 2.4.2 Đánh giá khả xử lý kim loại nặng thực vật Sậy Lựa chọn thực vật thu thập gần khu mỏ dựa tiêu chí: 1/ Mọc phổ biến khu vực nghiên cứu; 2/ Có khả chống chịu với nước thải khu KT & CBKS chì, kẽm; 3/ khả tích lũy kim loại nặng cao; 4/ Sinh khối lớn; 5/ Phù hợp với kiểu dòng chảy động Để thõa mãn tiêu chí thực vật Sậy (Phragmites australis) lựa chọn cho nghiên cứu Hệ thống mẫu thí nghiệm bố trí sau: Hệ thống 1: Các trồng sử dụng nước lấy trực tiếp khu chế biến chì kẽm Lũng Váng (khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn) Hệ thống 2: Trồng với nước pha chế có đặc điểm tương tự nước thải trực tiếp khu chế biến Lũng Váng Hệ thống 3: Trồng với nước pha chế có đặc điểm tương tự nước thải bể lắng số khu chế biến chì kẽm Lũng Váng Bảng 2.4 Hàm lƣợng kim loại nƣớc nghiên cứu với thực vật (mg/l) Hệ thống As Cd Mn Pb Zn 0.87 0,46 18,3 12,2 5,4 Hệ thống 1 0,5 20 20 Hệ thống 0,4 0,1 0,6 1,5 Hệ thống Hệ thống mẫu nước đối sánh: chậu thiết kế có hàm lượng kim loại giống hệ thống không trồng Hệ thống tiến hành nhằm đánh giá khả lắng tự nhiên hấp phụ vào vật liệu dùng làm giá thể Ký hiệu WR2 WR3 Trồng phòng với điều kiện ánh sáng đầy đủ, nhiệt độ điều hòa trì mức 25oC Hệ thống mẫu đối sánh: Trồng nước cất với giá thể đá Trước tiến hành thí nghiệm mẫu ký hiệu B sau kết thúc thí nghiệm ký hiệu C Thời gian trồng: 30 ngày chia làm đợt, đợt 10 ngày Sau 10 ngày, nước hệ thống thay với đặc điểm hệ thống nêu Bổ sung 3ml NPK (N-P-K: 5-5-5) dạng dung dịch sau đợt thay nước thí nghiệm 2.4.2.1 Lấy mẫu nước thí nghiệm Mẫu nước lấy tiến hành thí nghiệm vào 1, 2, 3, 4, 7, 10 ngày sau trồng Thời gian thí nghiệm 10 ngày dựa thực hàm lượng kim loại nước giảm không đáng kể sau 7-10 ngày Thí nghiệm lặp lại lần nhằm đánh giá khả xử lý với nguồn nước đầu vào không đổi 2.4.2.2 Lấy mẫu thực vật thí nghiệm Mẫu thực vật lấy trước tiến hành thí nghiệm (ký hiệu B) sau hoàn thành thí nghiệm (30 ngày) Với loài hệ thống thí nghiệm (cây đối sánh, hệ thống 1, 3) lấy mẫu Mỗi mẫu lấy tối thiểu 50 g trọng lượng ướt 2.4.2.3 Tính toán hệ số tích lũy hệ số vận chuyển Hệ số tích lũy (BCF) làtỉ số tổng nồng độ nguyên tố môi trường phát triển [119] ( BCF= ) ( ) Hệ số tích lũy cho đất (BCFs) tỉ số hàm lượng nguyên tố đất vị trí Hệ số tích lũy cho nước (BCFw) tỉ số hàm lượng nguyên tố hàm lượng nguyên tố nước vị trí Hệ số vận chuyển (TF) tỉ lệ hàm lượng nguyên tố rễ hàm lượng nguyên tố thân, lá.Khả dịch chuyển nguyên tố từ rễ lên thân [134] 2.4.3 Nghiên cứu giải pháp tích hợp vật liệu thực vật quy mô 50l/ngày đêm 2.4.3.1 Vật liệu thực vật Vật liệu sử dụng SBC2-400-10S Cây Sậy (Phragmites australis) thu thập bãi bồi ven sông rửa nước máy 2.4.3.2 Thí nghiệm Thí nghiệm áp dụng quy trình tích hợp tích hợp vật liệu thực vật quy mô 50l/ngày đêm tiến hành 30 ngày với hàm lượng kim loại tương tự nước thải bể lắng số Bằng Lũng bảng 2.5 Bảng 2.5 Nƣớc thải pha chế thí nghiệm giải pháp tích hợp (mg/l) Kim loại nặng As Cd Mn Pb Zn Nồng độ 0,4 0,1 0,6 1,5 Cột vật liệu - Lưu lượng nước thải xử lý: 100l/ngày; - Khối lượng vật liệu: 1400 g; - Thời gian lưu: 30 phút (từ kết thí nghiệm trước đó); - Bình chứa vật liệu thiết kế sử dụng ống nhựa suốt Acrylic với thể tích 1,8 lít (Hình 1.13) Hình 1.13 Cột vật liệu Dòng chảy ngầm (Hình 2.14, 2.15) Lưu lương nước thải xử lý: 50l/ngày Chọn thời gian lưu: t = 48h (Từ kết thí nghiệm trước) Thể tích hoạt động bể (Vhđ 1): Từ thí nghiệm mô hình quy mô nhỏ, xác định thể tích nước rỗng đá sỏi 45%, hệ số an toàn tính cho thể tích chiều cao bảo vệ thành bể 2% Tổng thể tích cần thiết kế bể là: 0,21 m3 Quá trình xử lý chất ô nhiễm bể chủ yếu xảy điều kiện bán hiếu khí nên chiều cao lớp vật liệu yếu tố quan trọng thiết kế Dựa lưu lượng nước cần xử lý, chọn chiều cao mô hình H1 = 500 mm, chiều cao bảo vệ bể 50mm Diện tích bề mặt (S) bể xử lý 1: Trong trình lọc, nước chảy theo chiều ngang mô hình Vì vậy, việc lựa chọn chiều dài mô hình ảnh hưởng đến hiệu tiếp xúc chất thải nước vi sinh vật, từ ảnh hưởng đến hiệu xử lý nước thải mô hình Chọn chiều dài mô hình L1 = 1500 mm, chiều rộng là: = 0,28m Vậy bể có kích thước là: L1 x W1 x H1 = 1500mm x 280mm x 500mm Dòng chảy mặt (Hình 2.14, 2.15) QCVN 08:2008/BTNMT loại B1 Bắc Chợ Đồn có đến 56% số mẫu có hàm lượng Cd vượt QCVN 08:2008/BTNMT loại B1 Tại số mỏ khu vực Bắc Chợ Đồn mỏ Lũng Hoài, mỏ Po Pen, mỏ Đèo An có hàm lượng Cd vượt gấp đến lần so với quy chuẩn cho phép Đặc biệt, khu vực đối sánh môi trường nước có biểu ô nhiễm Cd với hàm lượng 0,017mg/L cao gấp 1,7 lần so với QCVN 08:2008/BTNMT loại B1 3.2 Nghiên cứu chế tạo vật liệu đánh giá khả xử lý kim loại nặng 3.2.1 Đặc tính bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn, tỉnh Bắc Kạn 3.2.1.1.Đánh giá tiềm xử lý kim loại bùn thải mỏ chế biến sắt Theo nghiên cứu mục 1.2.2.3 Bùn thải mỏ chế biến sắt thuộc nhóm oxit sắt bao gồm hematit, magnetit, hydroxit sắt gơtit vật liệu có tính hấp phụ tốt 3.2.1.2 Đặc trưng bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn Kết phân tích XRD cho thấy thành phần khoáng vật chủ yếu bùn thải mỏ sắt thạch anh, gơtit (20%), muscovit (10%), kaolinit (8%), illit khoáng chiếm tỷ lệ lớn mẫu khoáng vật sét khoáng vật oxit/hydroxit sắt khoáng vật có khả hấp thu kim loại nặng Diện tích bề mặt (BET), điện tích bề mặt (PCD) pHPZC mẫu vật liệu SBC2 47,4 m2/g, 75 mmolc(-) Kg-1; 5,4 Diện tích bề mặt điện tích bề mặt thể khả hấp thu vật liệu Diện tích, điện tích cao, vật liệu hấp thu tốt [45] Kết phân tích thành phần hóa học (XRF) mẫu bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn (Bảng 3.2) cho thấy, thành phần hóa học oxit sắt Fe2O3 chiếm 20,37 %, chị thỉ cho vật liệu có khả hấp phụ tốt As, bên cạnh nhiều oxit nhôm Mn Al2O3, MnO SiO2 với hàm lượng chiếm 21,73; 0,44 43,67 % Các kết FTIR Nhóm chức hoạt động bề mặt bùn thải mỏ sắt tồn nhóm chức O-H (free); O-H (H bonded); Si-O-Si; Si-OH (Bảng 3.3) với bước sóng 3696; 3619; 1031; 797 cm-1 cho thấy tiềm hấp thu vật liệu bở rời Đồng thời góp phần luận giải chế hấp thu vật liệu Từ kết trên, nghiên cứu lựa chọn bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn (SBC2) để tiến hành đánh giá hiệu vật liệu xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản Chì – Kẽm Chợ Đồn tỉnh Bắc Kạn 3.2.2 Chế tạo hạt vật liệu biến tính từ bùn thải khu chế biến sắt Bản Cuôn 3.2.2.1 Chế tạo hạt vật liệu hấp phụ phụ gia nhiệt độ Theo nghiên cứu mục 1.2.3.2 Phương pháp nhiệt hóa để nâng cao hoạt tính bề mặt vật liệu hấp phụ, đồng thời xử lý nhiệt giúp nâng cao độ tinh khiết vật liệu loại bỏ số tạp chất Trước tiến hành nung mẫu, tiến hành phân tích nhiệt vi sai mẫu bùn thải sắt Bản Cuôn để xác định khoảng nhiệt độ với mẫu nghiên cứu Từ kết phân tích nhiệt vi, tiến hành nung nhiệt độ: nhiệt độ phòng (250C), 100, 200, 300, 400, 5000C thời gian khoảng Đối với nhiệt độ trộn với thủy tinh lỏng với tỷ lệ 5%, 10% 15% 3.2.2.2 Thử độ bền nước vật liệu chế tạo Cân khoảng 2g loại mẫu cho vào lọ sạch, ghi nhãn tên mẫu, ghi thời gian ngày thí nghiệm Cho 100 ml nước cất vào lọ Tiến hành thí nghiệm khoảng thời gian tháng Khi nhiệt độ nung dao động khoảng từ 350oC- 500oC khả bền khó tan nước lớn Từ kết thử độ bền nước này, định chọn mẫu SBC2 thủy tinh lỏng, nung nhiệt độ 4000C làm đối tượng nghiên cứu sâu Ngoài ra, nghiên cứu thêm vật liệu không nung có 15% phụ gia 11 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng thủy tinh lỏng đến đặc tính vật liệu Các hạt vật liệu hấp phụ có độ bền tốt lựa chọn để tiến hành đánh giá khả hấp phụ lựa chọn hạt vật liệu tối ưu (Bảng 3.7) TT Vật liệu SBC2-400 SBC2-R-15S SBC2-400-5S SBC2-400-10S SBC2-400-15S Bảng 3.7 Các hạt vật liệu đƣợc chế tạo Mô tả Không trộn thủy tinh lỏng, nung 400○C Trộn 15% thủy tinh lỏng, phơi khô nhiệt độ phòng Trộn 5% thủy tinh lỏng, nung 400○C Trộn 10% thủy tinh lỏng, nung 400○C Trộn 15% thủy tinh lỏng, nung 400○C 3.2.3.1 Đặc điểm thành phần vật liệu biến tính Các kết thành phần khoáng (XRD) cho thấy tỷ lệ thạch anh, kaolinit, hematit muscovite bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn cao (Bảng 3.9) Minerals Kaolinit Gơtit Hematit Magnetit Talc Muscovit Illit Bảng 3.8 Thành phần khoáng vật vật liệu (%) SBC2-400- SBC2-400SBC2-400SBC2-400 5S 10S 15S 11 7 15 1 7 1 7 11 53 58 10 14 SBC2-R15S 15 10 Ngoài ra, diện tích bề mặt điện tích bề mặt thể khả hấp phụ vật liệu Bảng 3.9 Diện tích bề mặt mật độ điện tích bề mặt vật liệu BET (m2/g) PCD (mmolc(-)/kg) SBC2 400 47.8 SBC2 400-5S 29.5 SBC2 400-10S 39.4 SBC2 400-15S 26.1 SBC2 R-15S 17.4 69 87.7 91 116 167 Thêm vào tiến hành phân tích FTIR - Nhóm chức hoạt động bề mặt vật liệu SBC2-400, SBC2-400-10S, SBC2-R-15S có cường độ hấp phụ cao mẫu nguyên khai cho thấy tiềm hấp phụ hạt vật liệu sau chế tạo (Bảng 3.10) Bảng 3.10 Kết phân tích FTIR mẫu bùn thải mỏ sắt Nhóm chức Bƣớc sóng (cm-1) Cƣơng độ hấp phụ O-H (H-bonded) 3620 0.27 SBC2-400 Si-O-Si 1032 0.41 Si-OH 913 0.21 O-H (H-bonded) 3620 0.64 SBC2-400-10S Si-O-Si 1032 1.4 Si-OH 778 0.48 O-H (H-bonded) 3620 0.47 Si-O-Si 1031 0.78 SBC2-R-15S Si-OH 798 0.4 Vật liệu 3.2.3.2 Độ bền vật liệu hấp phụ Kết nghiên cứu cho thấy khả hòa tan chất hấp phụ khác sau tháng theo dõi (Bảng 3.11) Khả hòa tan thấp vật liệu SBC2-R-15S với 1%, sau đến vật liệu SBC2-400-10S xấp xỉ 2% Ngược lại, không bổ sung thủy tinh lỏng khả hòa tan cao ≈15% 12 Bảng 3.11 Độ bền vật liệu hấp phụ với tỷ lệ thủy tinh lỏng khác Vật liệu hấp phụ SBC2-400 SBC2-400-5S SBC2-400-10S SBC2-400-15S SBC2-R-15S % Hòa tan ≈15 5-10 OH-), bề mặt chất hấp phụ mang điện tích dương hấp phụ anion (H2AsO4-, HAsO42-) tốt hơn, ngược lại giá trị PZC lớn pH, bề mặt chất hấp phụ mang điện tích âm hấp thụ tốt cation kim loại (Mn2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+) Kết phân tích cho thấy, SBC2- 400 có khả hấp phụ tốt anion, ngược lại, với vật liệu chế tạo thủy tinh (5%, 10%, 15%), có khả hấp phụ tốt cation Đây sở định hướng cho việc ứng dụng vật liệu hấp phụ 3.2.3.4 Ảnh hưởng tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng đến khả hấp phụ Việc bổ sung thủy tinh lỏng vào bùn thải mỏ sắt (hình 3.23) nâng cao khả hấp phụ kim loại nặng Đặc biệt khả hấp phụ kim loại Mn, Zn, Cd tăng theo tỷ lệ trộn thủy tinh lỏng, Pb tương đối Trong vật liệu SBC2-400, SBC2-R-15S khả hấp phụ As cao mẫu vật liệu SBC2-400-5S, SBC2-400-10S, SBC2-400-15S hấp phụ As hơn, điều tỷ lệ goethite thấp (bảng 3.8) giá trị illit, PCD cao (bảng 3.9) Phản ứng thủy phân thủy tinh lỏng dẫn đến gia tăng nhóm chức hydroxyl bề mặt bùn thải mỏ sắt, trình làm tăng khả hấp phụ kết tủa ion kim loại nặng (Mn2+, Zn2+, Cd2+ Pb2+) [84] Tuy nhiên, gia tăng hydroxit lại làm giảm nhóm chức mang điện tích dương bề mặt nên làm giảm khả hấp phụ As [84] Nhìn chung, vật liệu SBC2-R-15S có khả hấp phụ kim loại tốt 13 Hình 3.23 Dung lƣợng hiệu suất hấp phụ vật liệu Tóm lại dựa vào đặc trưng vật liệu nghiên cứu mục 3.2.2 kết thí nghiệm khảo sát mức tan, pHPZC, ảnh hưởng nồng độ KLN ban đầu 20mg/l tới khả hấp phụ vật liệu biến tính từ bùn thải mỏ sắt Bản Cuôn nung nhiệt độ khác vật liệu có tỉ lệ trộn chất kết dính khác chi phí sản xuất cho thấy, số vật liệu biến tính vật liệu SBC2-400 có khả xử lý hiệu As, vật liệu SBC2-400-10S, SBC2-R-15S có khả xử lý hiệu Mn, Cd, Pb, Zn Do đó, nghiên cứu thực thí nghiệm nghiên cứu dạng mẻ (ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng vật liệu, thời gian hấp phụ, nồng độ kim loại ban đầu) thí nghiệm hấp phụ cột nghiên cứu chi tiết với vật liệu biến tính gồm SBC2-R-15S, SBC2-400 SBC2-400-10S 3.2.4 Nghiên cứu hấp phụ dạng mẻ vật liệu biến tính 3.2.4.1 Ảnh hưởng tỷ lệ khối lượng hạt vật liệu đến khả hấp phụ * Khi tăng khối lượng hiệu suất hấp phụ tăng dần: - Zn Cd: SBC2-400-10S ≈ SBC2-R-15S > SBC2-400 - Mn: SBC2-400-10S > SBC2-R-15S > SBC2-400 - Pb: SBC2-400-10S > SBC2-R-15S ≈ SBC2-400 - As: SBC2-R-15S < SBC2-400-10S < SBC2-400 * Dung lượng hấp phụ giảm dần tăng khối lượng - Zn, Cd, Mn, Pb: SBC2-400-10S > SBC2-R-15S > SBC2-400 As: SBC2-R-15S < SBC2-400-10S < SBC2-400 Hình 3.24 Diễn biến theo khối lƣợng đến khả hấp phụ Kẽm vật liệu Hình 3.25 Diễn biến theo khối lƣợng đến khả hấp phụ Cadimi vật liệu Hình 3.26 Diễn biến theo khối lƣợng đến khả hấp phụ Mangan vật liệu Hình 3.27 Diễn biến theo khối lƣợng đến khả hấp phụ Chì vật liệu 14 Tỷ lệ khối lượng vật liệu lựa chọn 20g/l, dung lượng hấp phụ cao hiệu suất hấp phụ đạt chênh lệch không đáng kể so với tỷ lệ khối lượng vật liệu 40, 80g/l Hình 3.28 Diễn biến theo khối lƣợng đến khả hấp phụ Asen vật liệu 3.2.4.2 Ảnh hưởng thời gian đến khả hấp phụ - Dung lượng hấp phụ hiệu suất hấp phụ tăng dần dần đạt đến giá trị bão hòa sau khoảng thời gian 24 Vì vậy, 24 thích hợp loại bỏ KNL - Zn, Cd Mn: SBC2-400-10S ≈ SBC2-R-15S > SBC2-400 - Pb: SBC2-400-10S > SBC2-R-15S > SBC2-400 - As: SBC2-R-15S < SBC2-400-10S < SBC2-400 Hình 3.29 Diễn biến theo thời gian đến khả hấp phụ Kẽm vật liệu Hình 3.30 Diễn biến theo thời gian đến khả hấp phụ Cadimi vật liệu Hình 3.31 Diễn biến theo thời gian đến khả hấp phụ Mangan vật liệu Hình 3.32 Diễn biến theo thời gian đến khả hấp phụ Chì vật liệu Hình 3.33 Diễn biến theo thời gian đến khả hấp phụ As vật liệu Mô hình động học hấp phụ theo thời gian - Nghiên cứu tốc độ hấp phụ KLN mẫu vật liệu SBC2-400, SBC2-R-15S SBC2-400-10S biểu diễn mô hình động học hấp phụ bậc mô hình động học bậc hai Sự phù hợp số liệu thực nghiệm mô hình động học thể giá trị tương quan R2 15 - Đối với vật liệu cho thấy, hệ số tương quan mô hình động học hấp phụ bậc R21 không ổn định (R21dao động 0,17 – 0,99), giá trị hệ số tương quan R22 mô hình động học hấp phụ bậc cho kết cao ổn định (R22 dao động 0,95 – 0,99) - Điều cho thấy, liệu ghi nhận từ thực nghiệm không phù hợp với mô hình động học bậc phù hợp với mô hình động học bậc - Kết rằng, hấp phụ hóa học giới hạn tốc độ hấp phụ, điều liên quan đến lực hóa trị thông qua trao đổi electron chất bị hấp phụ vật liệu hấp phụ 3.2.4.3 Ảnh hưởng nồng độ kim loại nặng đến khả hấp phụ * Khi tăng nồng độ hiệu suất hấp phụ dung lượng hấp phụ tăng dần: - Zn Pb: SBC2-400-10S > SBC2-R-15S > SBC2-400 - Cd: SBC2-400-10S ≈ SBC2-R-15S > SBC2-400 - Mn: SBC2-R-15S > SBC2-400-10S > SBC2-400 - As: SBC2-R-15S < SBC2-400-10S < SBC2-400 Hình 3.34 Diễn biến theo nồng độ đến khả hấp phụ Kẽm vật liệu Hình 3.35 Diễn biến theo nồng độ đến khả hấp phụ Cadimi vật liệu Hình 3.36 Diễn biến theo nồng độ đến khả hấp phụ Mangan vật liệu Hình 3.37 Diễn biến theo nồng độ đến khả hấp phụ Chì vật liệu Hình 3.38 Diễn biến theo nồng độ đến khả hấp phụ Asen vật liệu Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ theo nồng độ - Theo mô hình động học Langmuir giá trị RL vật liệu hấp phụ nhỏ khả hấp phụ cao + Giá trị RL dao động 0,1 – 0,78 (nằm < RL < 1) cho thấy hấp phụ ion KLN nằm khoảng thuận lợi + Vật liệu SBC2-400-10S có giá trị RL thấp vật liệu lại 16 - Thực nghiệm cho thấy vật liệu phù hợp mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundich hệ số tương quan (R2) cao so với hệ số tương quan R2 mô hình hấp phụ Langmuir, vậy, vật liệu có khả hấp phụ đa lớp KLN bề mặt + Đối với mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundich, giá trị KF cao khả hấp phụ cao + Vật liệu SBC2-400-10S có khả hấp phụ tốt so với vật liệu lại Dung lượng hấp phụ Mn, Zn, Cd, Pb As 1282, 1676, 2040, 2380 422 mg/kg Tóm lại, dựa vào tiêu chí khả xử lý, chi phí sản xuất, tỷ lệ tan SB2-400-10S tốt hẳn so với vật liệu SBC2-R-15S, SBC2-400 3.2.5 Nghiên cứu hấp phụ cột vật liệu biến tính 2.4.1 Đánh giá khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu hệ thống - Mn Pb: - Zn, Cd As: SBC2-400-10S ≈ SBC2-R-15S ≈ SBC2-400 SBC2-400-10S > SBC2-R-15S > SBC2-400 Hình 3.39 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Mn hệ thống Hình 3.40 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Zn hệ thống Hình 3.41 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Cd hệ thống Hình 3.42 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Pb hệ thống Hình 3.43 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu As hệ thống 3.2.5.2 Đánh giá khả hấp phụ kim loại nặng vật liệu hệ thống * Khả xử lý KLN vật liệu hệ thống SBC2-400-10S > ≈ SBC2-400 > SBC2-R-15S 17 Hình 3.44 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Mn hệ thống Hình 3.45 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Zn hệ thống Hình 3.46 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Cd hệ thống Hình 3.47 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu Pb hệ thống Hấp phụ cột có hệ số tương quan R cao cho thấy liệu thực nghiệm phù hợp với mô hình động học hấp phụ Thomas vật liệu SBC2-400-10S cao Hình 3.48 Sơ đồ diễn biến hấp phụ cột hạt vật liệu As hệ thống 3.3 Đánh giá khả xử lý kim loại nặng Sậy 3.3.1 Khả lắng tự nhiên kim loại nặng nước Thí nghiệm đợt cho thấy hàm lượng KLN nước giảm theo thời gian 3.3.2 Khả xử lý kim loại nặng nước thải Sậy - Mn hệ thống 1, 2, tương ứng 67,8%; 62,9% 98,9% - Zn hệ thống 1, 2, tương ứng 58,8%; 60,1% 94,8% - Cd hệ thống 1, 2, tương ứng 59,1%; 57,2% 73,6% - Pb hệ thống 1, 2, tương ứng 62,4%; 53,3% 91,5% - As hệ thống 1, 2, tương ứng 61,5%; 63,5% 66,4% Hình 3.51 Hàm lƣợng Mn nƣớc Hình 3.52 Hiệu suất xử lý kim loại Mn Hình 3.53 Hàm lƣợng Zn nƣớc 18 Hình 3.54 Hiệu suất xử lý kim loại Zn Hình 3.55 Hàm lƣợng Cd nƣớc Hình 3.56 Hiệu suất xử lý kim loại Cd Hình 3.59 Hàm lƣợng As nƣớc Hình 3.60 Hiệu suất xử lý kim loại As Hình 3.57 Hàm lƣợng Pb nƣớc Hình 3.58 Hiệu suất xử lý kim loại Pb 3.3.3.Khả tích lũy kim loại nặng Sậy Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb As cao rễ tương ứng đạt 3917, 1024, 91, 227, 183 mg/kg-DW (dry weight – trọng lượng khô) Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb As thân tương ứng đạt 716, 149 41, 227, 88 mg/kg-DW 3.4 Nghiên cứu xây dựng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật 3.4.1 Cơ sở khoa học lựa chọn vật liệu kết hợp với thực vật 3.4.1.1 Lựa chọn vật liệu hấp phụ Vật liệu SBC2-400-10S có khả xử lý KLN tốt 3.4.1.2 Lựa chọn thực vật Với đặc tính ưu việt, Sậy chọn để đưa vào mô hình xử lý nước thải khu chế biến quặng chì kẽm Chợ Đồn 3.4.2 Đánh giá khả áp dụng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật Nồng độ Mn đầu vào hệ thống mg/l, sau 30 ngày thí nghiệm: + Vật liệu – dòng chảy mặt giảm xuống 0,75 mg/l hiệu suất 81% + Vật liệu – dòng chảy ngầm giảm xuống 0,61 mg/l hiệu suất 85% Hình 3.62 Diễn biến hàm lƣợng Mn mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Hình 3.63 Hiệu suất xử lý Mn mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Nồng độ Zn đầu vào hệ thống 1,5 mg/l, sau 30 ngày thí nghiệm: + Vật liệu – dòng chảy mặt giảm xuống 0,37 mg/l hiệu suất 75% 19 + Vật liệu – dòng chảy ngầm giảm xuống 0,32 mg/l hiệu suất 78% Hình 3.64 Diễn biến hàm lƣợng Zn mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Hình 3.65 Hiệu suất xử lý Zn mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Nồng độ Pb đầu vào hệ thống 0,6 mg/l, sau 30 ngày thí nghiệm: + Vật liệu – dòng chảy mặt giảm xuống 0,27 mg/l hiệu suất 55% + Vật liệu – dòng chảy ngầm giảm xuống 0,22 mg/l hiệu suất 64% Hình 3.66 Diễn biến hàm lƣợng Pb mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Hình 3.67 Hiệu suất xử lý Pb mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Nồng độ As đầu vào hệ thống 0,4 mg/l, sau 30 ngày thí nghiệm: + Vật liệu – dòng chảy mặt giảm xuống 0,09 mg/l hiệu suất 78% + Vật liệu – dòng chảy ngầm giảm xuống 0,07 mg/l hiệu suất 83% Hình 3.68 Diễn biến hàm lƣợng As mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Hình 3.69 Hiệu suất xử lý As mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Nồng độ Cd đầu vào hệ thống 0,1 mg/l, sau 30 ngày thí nghiệm: + Vật liệu – dòng chảy mặt giảm xuống 0,03 mg/l hiệu suất 72% + Vật liệu – dòng chảy ngầm giảm xuống 0,03 mg/l hiệu suất 69% Hình 3.70 Diễn biến hàm lƣợng Cd mô hình tích hợp vật liệu – thực vật Hình 3.71 Hiệu suất xử lý Cd mô hình tích hợp vật liệu – thực vật 20 3.4.3 Cơ chế xử lý nƣớc thải hệ vật liệu – thực vật 3.4.3.1 Hàm lượng kim loại nặng vật liệu sau xử lý Tổng lượng kim loại dung dịch sau qua cột vật liệu lớn tổng hàm lượng KLN tích lũy hạt vật liệu (Hình 3.72) Tỉ lệ KLN bị cột vật liệu hấp phụ tổng lượng kim loại Mn, Zn, Cd, Pb, As 18,83; 24,25; 78,28; 57,76 26,93% Như vậy, phần KLN dung dịch ion KLN bị thủy phân dung dịch tạo kết tủa lọc cột vật liệu Hình 3.72 Lƣợng KLN dung dịch so với lƣợng KLN tích lũy cột vật liệu 3.4.3.2 Sự tích lũy kim loại nặng sậy hệ thống - Dòng chảy ngầm: Cd > Mn > Pb > Zn > As, 2606, 1974, 1105, 558, 120 mg/kg-DW - Dòng chảy mặt: Cd > Pb > Zn > Mn > As, tương ứng 2144, 987, 759, 520, 38 mg/kg-DW 3.5 Nghiên cứu áp dụng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật xử lý nƣớc thải khai thác chế biến khoáng chì kẽm huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn 3.5.1 Quy mô, địa điểm lắp đặt đối tượng xử lý Địa điểm: Khu chế biến Lũng Váng thuộc mỏ chì - kẽm Chợ Đồn, Bắc Kạn Đối tượng xử lý: nước thải khu chế biến Lũng Váng qua hồ lắng (hồ lắng hồ lắng 2), trích dòng 5m3 từ hồ lắng vào hệ bể lắng – bể hấp phụ – bãi lọc trồng 3.5.2 Áp dụng quy trình công nghệ Từ đặc trưng nêu, kim loại Pb, Cd xử lý tác nhân kết tủa hiệu chỉnh pH phù hợp Tuy nhiên giải pháp không phù hợp với As, phải dùng hóa chất, hệ điều chỉnh pH phức tạp Giải pháp thay đơn giản hấp phụ tác nhân - chất hấp phụ phù hợp xử lý sâu thực vật 3.5.2.1 Giải trình giải pháp công nghệ 3.5.2.2 Thông số kỹ thuật Từ đặc trưng nêu, kim loại Pb, Cd xử lý tác nhân kết tủa hiệu chỉnh pH phù hợp Tuy nhiên giải pháp không phù hợp với As, phải dùng hóa chất, hệ điều chỉnh pH phức tạp Giải pháp thay đơn giản hấp phụ tác nhân - chất hấp phụ phù hợp xử lý sâu thực vật 3.5.2.3 Vận hành hệ thống xử lý Ký hiệu mô đun: mô đun (MD1) nước chảy qua bể lắng, mô đun (MD2) nước chảy qua hệ hấp phụ, mô đun 3, 4, 5, (MD3, MD4, MD5, MD6) nước chảy qua ngăn bãi lọc trồng cây, mô đun (MD7) nước chảy qua ngăn giá thể đá vôi (tương tự đá MD 3-7), mô đun (MD8) nước chảy qua ngăn giá thể đá ong 21 Hình 3.81 Mặt bố trí hệ xử lý nƣớc thải 5m3/ngày đêm Hình 3.82 Sơ đồ hệ thống xử lý 3.5.2.4 Đánh giá sinh trưởng phát triển Sậy Hình 3.83 Cây Sậy trồng sau ngày tháng hệ pilot 5m3/ngày.đêm Hình 3.84 Cây Sậy trồng sau tháng hệ pilot 5m3/ngày.đêm 3.5.3 Đánh giá kết áp dụng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật quy mô 5m3/ngày đêm 3.5.3.1 Thông số BOD5 , COD nước mô đun 3.5.3.2 Hàm lượng kim loại nặng nước mô đun 22 Kết nghiên cứu thiết phải cần chảy qua hệ thống vật liệu dòng chảy ngầm, qua bể lắng từ số đến số khả loại bỏ Mn thấp, gần không giảm Hình 3.85 Hàm lƣợng Mn nƣớc mô đun Hình 3.86 Sơ đồ diễn biến hàm lƣợng Mn trung bình nƣớc mô đun Hình 3.87 Hàm lƣợng Zn nƣớc mô đun Hình 3.88 Sơ đồ diễn biến hàm lƣợng Zn trung bình nƣớc mô đun Hình 3.89 Hàm lƣợng As nƣớc mô đun Hình 3.90 Sơ đồ diễn biến hàm lƣợng As trung bình nƣớc mô đun Hình 3.91 Hàm lƣợng Cd nƣớc mô đun 23 Hình 3.92 Sơ đồ diễn biến hàm lƣợng Cd trung bình nƣớc mô đun Hình 3.93 Hàm lƣợng Pb nƣớc mô đun Hình 3.94 Sơ đồ diễn biến hàm lƣợng As trung bình nƣớc mô đun Tóm lại, vận hành hệ pilot sau tháng cho thấy hiệu xử lý hệ thống với nước thải đầu đạt giới hạn cho phép nước thải công nghiệp QCVN 40:2011-BTNMT hiệu suất xử lý kim loại dòng chảy ngầm (đá vôi) tốt dòng chảy ngầm (đá ong) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 1.1 Vật liệu hấp phụ chế tạo từ bùn thải khu chế biến sắt thuộc huyện Chợ Đồn với 10% thủy tinh lỏng nung nhiệt độ 4000C có khả hấp phụ cation anion, đồng thời nghiên cứu thực nghiệm để so sánh hạt vật liệu chế tạo cho thấy vật liệu (SBC2-400-10S) có khả hấp phụ tốt Vì vậy, vật liệu phù hợp để xử lý đồng thời kim loại nặng Mn, Zn, Pb, As Cd nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 1.2 Cây Sậy có sinh khối cao, chống chịu tốt với nước thải bị ô nhiễm, thích nghi tốt với giá thể đá vôi đá ong, phù hợp với kiểu dòng chảy động có khả xử lý đồng thời kim loại nặng Mn, Zn, Pb, As Cd nước nên thực vật phù hợp dùng xử lý nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn 1.3 Áp dụng giải pháp sử dụng tích hợp vật liệu hấp phụ (SBC2-400-10S) – dòng chảy mặt (trồng Sậy) vật liệu hấp phụ (SBC2-400-10S) – dòng chảy ngầm (trồng Sậy) với quy mô 50lít/ngày đêm cho thấy khả xử lý tốt kim loại nặng Mn, Zn, Pb, As Cd nước với hàm lượng tương tự nước thải khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn đạt QCVN 40:2011/BTNMT Kết rằng, dòng chảy ngầm xử lý tốt dòng chảy mặt 1.4 Áp dụng giải pháp sử dụng tích hợp vật liệu biến tính (SBC2-400-10S) – dòng chảy ngầm (trồng Sậy) với quy mô m3/ngàyđêm khu chế biến chì kẽm Lũng Váng (Chợ Đồn, Bắc Kạn) cho thấy khả xử lý hiệu nước thải khu vực đạt QCVN 40:2011/BTNMT Đây giải pháp xử lý nước thải chế biến chì kẽm hiệu quả, tiết kiện chi phí thân thiện với môi trường KIẾN NGHỊ 2.1 Tiến hành triển khai nhân rộng áp dụng giải pháp tích hợp vật liệu – thực vật khu mỏ chì - kẽm Chợ Đồn số mỏ đa kim có điều kiện tương tự; 2.2 Thử nghiệm giải pháp tái xử lý vật liệu hấp phụ thực vật sau sử dụng 24 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Lê Sỹ Chính, Mai Trọng Nhuận, Nguyễn Xuân Hải, Nguyễn Thị Hải, Đặng Ngọc Thăng, Nguyễn Tài Giang, Trần Đăng Quy, Nguyễn Thị Hoàng Hà (2016), “Đánh giá khả xử lý kim loại nặng nước sử dụng vật liệu chế tạo từ bùn thải mỏ chế biến sắt”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, tập 32, số1S, tr 45-52 Le Sy Chinh, Mai Trong Nhuan, Nguyen Xuan Hai, Nguyen Thi Hai, Dang Ngoc Thang, Nguyen Tai Giang, Doan Dinh Hung, Nguyen Trung Minh, Nguyen Manh Khai, Tran Dang Quy and Nguyen Thi Hoang Ha (2016), “The influence of sodium silicate on removal of heavy metals by iron mine tailing”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol 11, No 21, pp 12555-12560 25 ... xử lý tận gốc vấn đề ô nhiễm môi trường, hạn chế đến mức tối đa chất ô nhiễm phát sinh sau xử lý Vì vậy, lựa chọn đề tài: Nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản chì,. .. (Phragmites) có khả xử lý tốt kim loại nặng nước thải khu mỏ chì, kẽm; - Mô hình sử dụng vật liệu biến tính kết hợp với thực vật giải pháp hiệu xử lý nước thải khai thác chế biến khoáng sản chì, kẽm khu... mg/kg-DW 3.5 Nghiên cứu áp dụng giải pháp tích hợp vật liệu thực vật xử lý nƣớc thải khai thác chế biến khoáng chì kẽm huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn 3.5.1 Quy mô, địa điểm lắp đặt đối tượng xử lý Địa