VII. í nghĩa khoa học và thực tiễn của luận ỏn
1.3. Tổng quan sự hỡnh thành chấ tụ nhiễm trong nước rỉ rỏc
1.3.1 Nguồn gốc phỏt sinh kim loại nặng trong chất thải rắn
Kim loại nặng là những nguyờn tố kim loại cú tỷ trọng lớn hơn 5 lần tỷ trọng của nước. Cỏc nguyờn tố kim loại nặng cú thể kể đến như: asen, chỡ, sắt, đồng, cadimi, crom, ….Chỳng cú thời gian tồn lưu trong mụi trường rất lõu, cú nguy cơ tăng tớnh độc và độ bền vững cao tuỳ vào điều kiện của mụi trường, nú gõy độc đối với con người và hệ sinh thỏi ở cỏc mức độ khỏc nhau tuỳ thuộc vào nồng độ, ranh giới giữa mức đủ và độc là rất hẹp.
Kim loại nặng được ứng dụng nhiều trong cụng nghiệp, nụng nghiệp, y tế và khoa học kĩ thuật dẫn đến việc phỏt thải ra mụi trường sẽ làm tăng những nguy cơ về tỏc động tiềm ẩn của chỳng đối với sức khỏe con người và hệ sinh thỏi. Độc tớnh của kim loại nặng phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm liều lượng, con đường xõm nhập, và cỏc dạng húa học, cũng như độ
tuổi, giới tớnh, di truyền học, và tỡnh trạng sức khỏe của cỏ nhõn khi tiếp xỳc. Do mức độ độc tớnh cao mà asen, cadimi, crom, chỡ, thủy ngõn thường được xem xột hàng đầu, chỳng gõy ra tổn thương cho đa cơ quan, và được phõn loại là chất gõy ung thư cho con người [107].
Kim loại nặng cú thể tồn tại trong chất thải rắn ở tất cả cỏc giai đoạn vũng đời sản phẩm, sơ đồ trỡnh bày nguồn gốc của kim loại nặng trong chất thải rắn như minh họa ở Hỡnh 1.7.
Hỡnh 1.7.Nguồn gốc hỡnh thành kim loại nặng trong chất thải rắn Nguồn: Vitalii Ishchenko, (2019) [111].
Trong những năm gần đõy, chất thải từ thiết bị điện và điện tử gia dụng đó trở thành một nguồn chủ yếu phỏt sinh kim loại nặng trong bói chụn lấp bao gồm: Pb, Hg, Cd, Cr(VI), và Cu. Đặc biệt, bảng mạch điện tử là nguồn chứa cỏc kim loại nặng như: Pb, Cr, Zn, Ni, và As. Nhựa cũng là một nguồn đỏng kể chứa kim loại nặng trong chất thải rắn sinh hoạt. Nhựa dựng trong điện thoại di động (chất màu, chất làm chậm chỏy, chất độn, chất ổn định) cú chứa Pb, Cd, Cr và Hg. Chỡ và Cd (0,7–2%) là được thờm vào làm chất ổn định trong cỏc sản phẩm polyvinyl clorua (PVC) cứng. Tất cả cỏc sản phẩm nhựa màu đều chứa kim loại nặng. Chẳng hạn, chỡ cromat cung cấp màu vàng và màu đỏ, cỏc thuốc nhuộm khỏc bao gồm oxit crom, cỏc hợp chất thủy ngõn, cadimi và selen [46]. Nhựa cũng chứa cỏc hợp chất chỡ làm chất húa dẻo, cỏc hợp chất thiếc hữu cơ (mercaptit, metyl- và butyl-thiếc), cadimi và kẽm làm chất ổn định. Tuy nhiờn, nhiều hợp chất kim loại hầu hết trơ trong cỏc sản phẩm nhựa và chỉ phõn ró trong điều kiện nhất định.
Hầu hết cỏc loại sơn gia dụng thường chứa đến 90 ppm chỡ. Mặc dự việc sử dụng chỡ trong sơn trang trớ đó giảm đỏng kể nhưng chỡ lưu huỳnh và chỡ cromat vẫn được sử dụng nhiều vỡ giỏ thành rẻ và đặc tớnh chống ăn mũn tốt. Chỡ trong sơn cú thể bị thải bỏ trong chất
thải rắn sinh hoạt hoặc trực tiếp trong sơn cũn sút lại hoặc cựng với chất thải sửa nhà, chất thải trong quỏ trỡnh xử lý tường. Chỡ naphthenate và oxit chỡ Pb3O4 được sử dụng trong sơn alkyd để tăng tốc độ khụ và trong sơn lút để chống ăn mũn. Nhiều hợp chất chỡ như chỡ asenat AsHO4Pb vẫn dựng trong thuốc trừ sõu. Thủy tinh thải là một nguồn khỏc chứa chỡ: chỡ (II) oxit được sử dụng để tăng cường màu sắc và độ sỏng của thủy tinh. Bờn cạnh đú, pin chỡ- antimon và pin axit-chỡ chứa nhiều chỡ, vỡ chỡ được thờm vào cực dương kẽm của pin gia dụng để giảm ăn mũn. Ngoài ra, chỡ-silicat được sử dụng trong đốn huỳnh quang, màn hỡnh hoặc ti vi cũ cú ống tia õm cực chứa chỡ chiếm tới 10% tổng lượng chỡ trong chất thải hộ gia đỡnh. Một số hợp chất chỡ được sử dụng trong búng bỏn dẫn của cỏc thiết bị điện, cũng như trong một số sản phẩm mỹ phẩm [23], [46], [111].
Bảng 1.5. Hàm lượng kim loại nặng trong rỏc thải Thành phần chất
thải Cỏc kim loại nặng (g/kg)
Pb Cd Ni Cr Nhựa 40,1 0,8 - 38,6 Vải dệt 10,2 0,3 - 14 Cao su 170 6,4 - 1228 Gỗ 10,6 0,2 - 167 Giấy 7,7 0,1 - 9,4 Vật liệu xõy dựng 6,9 0,1 - 10,5 Thực phẩm 4,0 - - 7,0
Chất thải nguy hại 13,950 228,220 661,220 50,550
Phần cũn lại 19,9 0,2 - 49,3
Nguồn: Vitalii Ishchenko, (2019) [111].
Do hiệu suất kỹ thuật cao, cadimi thường được sử dụng rộng rói được sử dụng trong ắc quy và chiếm khoảng 75% tổng lượng cadimi được tỡm thấy trong chất thải rắn sinh hoạt. Cadimi được sử dụng trong cỏc thiết bị khỏc nhau như: bàn chải đỏnh răng điện và dao cạo rõu, dụng cụ gia dụng dựng điện, thiết bị y tế, điện thoại di động. Pin niken-cadimi chứa cadimi hoặc cadimi hydroxit làm cực dương. Cú nhiều sản phẩm được phủ hợp chất chứa cadimi để cung cấp độ búng hoặc để chống ăn mũn: thiết bị vụ tuyến và truyền hỡnh, thiết bị gia dụng và cỏc sản phẩm kim loại [23]. Một trong những nguồn chớnh của cadmium là phõn bún, cadimi cũng được sử dụng rộng rói trong bao bỡ (trừ thực phẩm). Cadimi sulfua và cadimi sulfoselenit được sử dụng làm thuốc nhuộm (màu vàng cam, màu hồng-đỏ và màu hạt dẻ) trong nhựa, gốm sứ và sơn. Chất ổn định nhựa PVC bao gồm cadimi stearat (ngoại trừ nhựa gốc PVC dựng để đúng gúi thực phẩm để ngăn ngừa ụ nhiễm) [92]. Cadimi cũng được tỡm thấy trong một số mỹ phẩm, vớ dụ: cỏc loại kem dưỡng da. Trong khi nhiều hợp chất cadimi
khụng hũa tan trong nước, một số hũa tan trong axit và cỏc hợp chất hữu cơ, do đú nguy cơ gõy ụ nhiễm mụi trường từ cadimi là khụng nhỏ.
Một lượng đỏng kể thủy ngõn đó được tỡm thấy trong nhiệt kế và đốn huỳnh quang thải. Khoảng 500–600 mg thủy ngõn được sử dụng trong một nhiệt kế gia dụng. Thuốc nhuộm cú chứa thủy ngõn được tỡm thấy trong hầu hết cỏc sản phẩm nhựa màu [99].
Asen được sử dụng rộng rói trong thuốc trừ sõu dưới dạng canxi, natri, và arsenat chỡ, hoặc acetoarsenit đồng (chủ yếu là trong thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sõu, thuốc diệt nấm và chất hỳt ẩm). Cỏc nguồn chớnh của cỏc hợp chất asen được tỡm thấy trong chất thải rắn sinh hoạt là: thuốc quỏ hạn, chất bổ sung dinh dưỡng và chất tẩy rửa [46]. Trong một số pin lithium- ion, lithium hexafluoroarsenate được sử dụng làm chất điện phõn. Cỏc hợp chất asen thường ứng dụng làm chất bỏn dẫn trong cỏc thiết bị gia dụng, đặc biệt là trong màn hỡnh tinh thể lỏng. Hầu hết cỏc hợp chất asen đều khụng tan trong nước.
Kim loại nặng cú mặt hoặc tồn tại cú thể là cỏc nguyờn tố vi lượng trong sinh vật, trong nhiờn liệu húa thạch, vật liệu, khoỏng sản thụ, thực phẩm, …và kim loại nặng cú mặt ở gần như tất cả cỏc sản phẩm phục vụ cho đời sống của con người. Kim loại nặng được biết đến cú nhiều ảnh hưởng độc hại nghiờm trọng đối với hệ sinh thỏi, và việc sử dụng và thải bỏ chỳng đó được tiến hành theo cỏc cỏch khỏc nhau. Tuy nhiờn, vỡ tớnh chất lý hoỏ hữu ớch, cỏc kim loại nặng được cố ý thờm vào cỏc sản phẩm tiờu dựng và cụng nghiệp.
Kim loại nặng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cụng nghệ tuy nhiờn việc sử dụng và thải bỏ cỏc sản phẩm cú chứa kim loại nặng lại rất khỏc nhau. Điều này rất khú cho việc đưa ra một mụ tả thống nhất và chi tiết về quỏ trỡnh hỡnh thành cũng như nguồn gốc tạo thành kim loại nặng trong chất thải rắn. Tuy nhiờn dự con đường di chuyển của kim loại nặng là dài hay ngắn, tổng quỏt hay cụ thể thỡ bói chụn lấp hay mụi trường đất vẫn là nơi lưu chứa cuối cựng của kim loại nặng.
Kim loại nặng khụng bị phõn hủy sinh học, khụng độc khi ở dạng nguyờn tố tự do nhưng nguy hiểm đối với sinh vật sống khi ở dạng cation do khả năng gắn kết với cỏc chuỗi cacbon ngắn dẫn đến sự tớch tụ trong cơ thể sinh vật sau nhiều năm [98]. Đối với con người, cú khoảng 12 nguyờn tố kim loại nặng gõy độc như chỡ, thủy ngõn, nhụm, asen, cadimi, niken… Một số kim loại nặng được tỡm thấy trong cơ thể và thiết yếu cho sức khỏe con người, chẳng hạn như sắt, kẽm, magiờ, coban, mangan và đồng mặc dự với lượng rất ớt nhưng nú hiện diện trong quỏ trỡnh chuyển húa. Tuy nhiờn, ở mức thừa của cỏc nguyờn tố thiết yếu cú thể nguy hại đến đời sống của sinh vật. Cỏc nguyờn tố kim loại cũn lại là cỏc nguyờn tố khụng thiết yếu và cú thể gõy độc tớnh cao khi hiện diện trong cơ thể, tuy nhiờn tớnh độc chỉ thể hiện khi chỳng đi vào chuỗi thức ăn. Cỏc nguyờn tố này bao gồm thủy ngõn, nickel, chỡ, arsenic, cadmium, nhụm, platinum và đồng ở dạng ion kim loại. Chỳng đi vào cơ thể qua cỏc con đường hấp thụ của cơ thể như hụ hấp, tiờu húa và qua da. Nếu kim loại nặng đi vào cơ thể và tớch lũy bờn trong tế bào lớn hơn sự phõn giải của chỳng thỡ hàm lượng sẽ tăng dần và sự ngộ độc sẽ xuất
hiện. Do vậy người ta bị ngộ độc khụng những với hàm lượng cao của kim loại nặng mà cả khi với hàm lượng thấp và thời gian kộo dài sẽ đạt đến hàm lượng gõy độc.
Trong một số trường hợp, sự phúng thớch từng phần của kim loại nặng đến mụi trường trong suốt vũng đời của sản phẩm sẽ xảy ra. Sự phúng thớch KLN từ hoạt động chụn lấp chất thải rắn là do quỏ trỡnh phõn hủy và rũ rỉ, lan truyền nước rỉ rỏc vào mụi trường xung quanh BCL. Thành phần của chất thải được chụn lấp cú ảnh hưởng rất lớn tới hàm lượng KLN trong nước rỉ rỏc và chất thải rắn thay đổi theo tỡnh trạng kinh tế xó hội, vị trớ địa lý, theo mựa, và cỏc mụ hỡnh thu gom.
Cỏc hoạt động tiờu hủy chất thải rắn (bói đổ rỏc, bói chụn lấp rỏc, hoặc lũ đốt rỏc) là một nguồn quan trọng phỏt thải kim loại ra mụi trường [107]. Nước rỉ rỏc được hỡnh thành chủ yếu cựng với lượng mưa đó thấm vào cỏc lớp rỏc được chụn lấp và thường dẫn đến sự di chuyển của nước rỉ rỏc vào cỏc tầng nước dưới đất gõy ra ụ nhiễm. Mụi trường đất và nước dưới đất bị ụ nhiễm do sự lan truyền chất ụ nhiễm trong nước rỉ rỏc, cựng với cỏc kim loại nặng như chỡ, đồng, kẽm, sắt, mangan, crụm, và cadimi …cú nguồn gốc từ chất thải rắn. Vấn đề ụ nhiễm trở nờn nghiờm trọng hơn bởi kim loại nặng khụng thể phõn hủy sinh học [58].
Nguồn gốc kim loại nặng cú trong cỏc bói chụn lấp chủ yếu là do đồng thời chụn lấp chất thải cụng nghiệp, tro lũ đốt rỏc, chất thải từ khai thỏc mỏ và chất thải gia dụng cú chứa thành phần nguy hại như pin, sơn, thuốc nhuộm, mực in, …[58]. ễ nhiễm đất bởi kim loại nặng cú nguồn gốc từ cỏc bói chụn lấp chất thải là một vấn đề nghiờm trọng liờn quan đến sự phỏt triển đụ thị và cụng nghiệp. Cỏc tầng đất là được coi là nơi lưu giữ cuối cựng của kim loại nặng thải ra mụi trường và cả cỏc kim loại nặng đang tồn tại trong đất. Do đú khi xem xột cỏc chất ụ nhiễm trong đất và nước rỉ rỏc tại cỏc vị trớ bị ụ nhiễm, hàm lượng chất ụ nhiễm cần phải đo đạc trực tiếp và cụ thể, bởi vỡ việc xỏc định tớnh chất của đất là cần thiết trước khi khuyến nghị cỏc giải phỏp kỹ thuật để khắc phục.
1.3.2. Sự hỡnh thành nước rỉ rỏc
Nước rỉ rỏc cú thể được định nghĩa là nước bẩn thấm qua lớp rỏc của ụ chụn lấp, kộo theo cỏc chất ụ nhiễm từ rỏc chảy vào tầng đất ở dưới bói chụn lấp. Nước rỉ rỏc của bói chụn lấp được tạo thành chủ yếu do cỏc nguồn nước đưa vào ụ chụn lấp như nước mặt, nước mưa, nước cú trong chất thải...
Thành phần nước rỉ rỏc chịu tỏc động của nhiều yếu tố: thời gian chụn lấp, khớ hậu, mựa, độ ẩm của bói chụn lấp, mức độ pha loóng với nước mặt và nước dưới đất, loại rỏc chụn lấp. Ngoài ra độ nộn, loại và độ dày của nguyờn liệu phủ trờn cựng cũng tỏc động lờn thành phần của nước rỉ rỏc.
Qua bảng 1.6 cho thấy giỏ trị cỏc thành phần nước rỉ rỏc thay đổi trong phạm vi tương đối rộng đặc biệt là ở bói mới.
Thành phần hoỏ học của nước rỉ rỏc phụ thuộc lớn vào tuổi của bói chụn lấp, cỏc giai đoạn phõn huỷ. Nước rỉ rỏc ở pha axit cú pH thấp, BOD5, COD, TOC, dinh dưỡng và kim
loại nặng cao. Nước rỉ rỏc ở pha metan hoỏ cú giỏ trị pH từ 6,5 7,5, BOD5, COD, TOC, dinh dưỡng thấp đồng thời nồng độ kim loại nặng cũng thấp hơn vỡ hầu hết kim loại nặng ớt hoà tan ở giỏ trị pH cao.
Bảng 1.6. Hàm lượng cỏc chất ụ nhiễm trong nước rỉ rỏc theo thời gian Thành phần
Giỏ trị
Bói chụn lấp mới (dưới 2 năm) Bói chụn lấp cũ (trờn 10
năm) Khoảng Trung bỡnh
Nhu cầu oxy hoỏ sinh học (BOD5),mg/l
2.000 – 30.000 10.000 100 – 200 Tổng lượng cacbon hữu cơ
(TOC), mg/l
1.500 – 20.000 6.000 80 – 160
Nhu cầu oxy hoỏ hoỏ học (COD), mg/l
3.000 – 60.000 18.000 100 – 500
Tổng lượng chất rắn, mg/l 200 – 2.000 500 100 – 400
Nitơ hữu cơ, mg/l 10 – 800 200 80 – 120
Nitơ amon, mg/l 10 – 800 200 20 – 40
Nitrat, mg/l 5 – 40 25 5 – 10
Tổng lượng photpho, mg/l 5 – 100 30 5 – 10
Orthophotpho, mg/l 4 – 80 20 4 – 8
Độ kiềm theo CaCO3, mg/l 1.000 – 10.000 3.000 200 – 1.000
pH 4,5 – 7,5 6 6,6 – 7,5 Tổng độ cứng theo CaCO3, mg/l 300 – 10.000 3.500 200 – 500 Canxi, mg/l 200 – 3.000 1.000 100 – 400 Magie, mg/l 50 – 1.500 250 50 – 200 Kali, mg/l 200 – 1.000 300 50 – 400 Natri, mg/l 200 – 2.500 500 100 – 200 Clorua, mg/l 200 – 3.000 500 100 – 400 Sulphat, mg/l 50 – 1.000 300 20 – 50 Tổng lượng sắt, mg/l 50 – 1.200 60 20 – 200 Nguồn: Tchobanoglous G (1993), [101]
1.3.3. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tớnh chất nước rỉ rỏc
Rỏc được chụn trong bói chụn lấp chịu hàng loạt cỏc biến đổi lý, húa, sinh xảy ra đồng thời. Khi nước chảy qua sẽ mang theo cỏc chất húa học đó được phõn hủy từ rỏc.
Thành phần chất ụ nhiễm trong nước rỉ rỏc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thành phần chất thải rắn, độ ẩm, thời gian chụn lấp, khớ hậu, cỏc mựa trong năm, chiều sõu bói chụn lấp, độ nộn, loại và độ dày của nguyờn liệu phủ trờn cựng, tốc độ di chuyển của nước trong bói chụn lấp, độ pha loóng với nước mặt và nước dưới đất, sự cú mặt của cỏc chất ức chế, cỏc
chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng, việc thiết kế và hoạt động của bói chụn lấp, việc chụn lấp chất thải rắn, chất thải độc hại, bựn từ trạm xử lý nước thải… Ta sẽ lần lược xột qua cỏc yếu tố chớnh ảnh hưởng đến thành phần và tớnh chất nước rỉ rỏc.
Hỡnh 1.8. Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới thành phần và tớnh chất nước rỉ rỏc
a. Thời gian chụn lấp
Tớnh chất nước rỉ rỏc thay đổi theo thời gian chụn lấp. Nhiều nghiờn cứu cho thấy rằng nồng độ cỏc chất ụ nhiễm trong nước rỉ rỏc là một hàm theo thời gian. Theo thời gian nồng độ cỏc chất ụ nhiễm trong nước rỉ rỏc giảm dần. Thành phần của nước rỉ rỏc thay đổi tựy thuộc vào cỏc giai đoạn khỏc nhau của quỏ trỡnh phõn hủy sinh học đang diễn ra. Sau giai đoạn hiếu khớ ngắn (một vài tuần hoặc kộo dài đến vài thỏng), thỡ giai đoạn phõn hủy yếm khớ tạo ra axit xảy ra và cuối cựng là quỏ trỡnh tạo ra khớ metan. Trong giai đoạn axit, cỏc hợp chất đơn giản được hỡnh thành như cỏc axit dễ bay hơi, amino axit và một phần fulvic với nồng độ nhỏ. Trong giai đọan này, khi rỏc mới được chụn hoặc cú thể kộo dài vài năm, nước rỉ rỏc cú những