CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.4.1. Trên thế giới
1.4.1.1. Sử dụng vật liệu hấp phụ
Phương pháp hấp phụ được biết đến như một phương pháp đơn giản và hiệu quả trong việc xử lý KLN trong môi trường nước trong những năm gần đây. Ưu điểm của quá trình hấp phụ là chi phí thấp, dễ vận hành, khả năng hấp phụ kim loại cao, chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh, làm hạ giá thành xử lý. Hiệu quả hấp phụ cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH của dung dịch, nhiệt độ, bản chất vật liệu hấp phụ, hàm lượng kim loại trong dung dịch (hàm lượng chất ô nhiễm ban đầu), thời gian thực hiện, tốc độ dòng chảy. Các vật liệu hấp phụ tự nhiên được lựa chọn nhiều nhất vì tính hiệu quả, phong phú, giá thành chế tạo thấp và thân thiện với môi trường. Một số nguyên liệu tự nhiên được sử dụng để xử lý nước thải mỏ như: zeolit, laterit (Garau và nnk, 2007), đá vôi (Gogoi và nnk, 2015.), khoáng vật sét (Sdiri và nnk, 2013), khoáng vật pyrit (Bulut và nnk, 2014).
Cụ thể, Hàn Quốc đã nghiên cứu khả năng sử dụng đá vôi và vôi để xử lý nước ngầm bị ô nhiễm KLN bắt nguồn từ các bãi thải than trong khu khai thác và chế biến khoáng sản (Lee và nnk, 2007). Nghiên cứu đã được tiến hành ở cả 2 thí nghiệm dạng cột và thí nghiệm thí điểm, kết quả của thí nghiệm dạng cột cho thấy cả đá vơi và vơi đều có khả năng xử lý 98% As và Ni. Lakherwal và nnk (2004) đã tiến hành nghiên cứu đá vôi và vôi trong việc xử lý nước ngầm bị ơ nhiễm KLN từ
quả nghiên cứu thí nghiệm dạng cột cho thấy cả đá vơi và vơi có hiệu quả xử lý As và Ni là 98%. Ngoài ra nhiều nghiên cứu đã chỉ ra đá vôi kết hợp với các nguyên liệu khoáng khác để xử lý KLN trong nước, cụ thể nghiên cứu khả năng xử lý dòng thải rò rỉ từ các bãi rác bằng vật liệu tự nhiên kết hợp giữa CaO, FeCl3, clinoptillolit, kết quả nghiên cứu đã cho thấy hiểu quả xử lý các kim loại Cr (VI), Fe, Ni, Cu, Zn và Pb lần lượt là 75%; 95,34%; 56,52%; 78,72%; 73,02% và 100% (Gerringa, 1990).
Đá ong là nguyên liệu được các nhà khoa học sử dụng nhiều trong thí nghiệm hấp phụ các KLN (Xiaohong và nnk, 2008). Nước mặt của khu vực khai thác mỏ vàng tại Akara (Thái Lan) đang bị ô nhiễm bởi các kim loại Pb, Zn, Ni và Mn với nồng độ cao hơn so với tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng nước. Nghiên cứu đã sử dụng laterit làm nguyên liệu hấp phụ và kết luận rằng đá ong có khả năng xử lý các KLN (Putthividhya, 2008). Một nghiên cứu khác tại Thái Lan, thí nghiệm đánh giá khả năng hấp phụ các kim loại Pb, Mn, Zn, Ni đã cho kết quả: đá ong có thể hấp phụ các KLN với hiệu quả đạt từ 30 - 44%, với khoảng pH tối ưu là 4 và 5 (Chotpantarat và nnk, 2010). Ngoài ra một số nghiên cứu tập trung xử lý As trong nước ngầm (Maiti và nnk, 2007). Maiti đã chỉ ra rằng với khoảng pH tối ưu (2,72), nồng độ ban đầu As là 1 mg/l, đá ong là 40g/l, hiệu quả loại bỏ lên đến 98% (Maiti và nnk, 2007). Glocheux và nnk (2013) xử lý As với dung lượng đạt 301,2 µg/g.Trong một nghiên cứu khác, đá ong từ tỉnh Guizhou (Trung Quốc) là một vật liệu môi trường đầy hứa hẹn có thể được sử dụng trong việc loại bỏ Hg (II) khỏi nước thải với hiệu suất 80%.
Đối với bùn đỏ, một chất thải từ hoạt động và khai thác bauxit, đã được quan tâm nghiên cứu như một vật liệu hấp phụ giá rẻ có khả năng hấp phụ KLN Cd, Cu, Pb, As, Cr, Ni, Zn (Apak và nnk, 1998). Vào năm 2012, Mingcan và nnk đã xây dựng hệ thống pilot ngoài thực địa sử dụng bùn thải mỏ than để xử lý nước thải axit với nồng độ cao Pb, Zn và các KLN khác. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra khả năng xử lý lên đến 97,2-99,8%. Bùn đỏ là, bãi thải của quá trình sản xuất nhơm từ quặng bauxit, là vật liệu có khả năng xử lý ơ nhiễm KLN (Wanchao và nnk, 2009).
Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu về khả năng hấp phụ và loại bỏ các KLN của monotmorillonit trong môi trường nước. Gupta và Bhattacharyya (2007) đã cho thấy khả năng hấp phụ của montmorillonit tới các KLN lần lượt là: Cd(II): 32,7 mg/g; Co(II): 28,6 mg/g; Cu(II): 31,8 mg/g; Pb(II): 33,0 mg/g và Ni(II): 28,4 mg/g. Nhiều nghiên cứu về khả năng lọai bỏ các KLN trong môi trường nước như Cu, Ni, Mg của khoáng vật kaolinit (Yavuz và nnk, 2003). Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng hấp phụ kim loại của các kim loại theo thứ tự Cu (10,8mg/g)> Co (1,7mg/g)> Co (0,92mg/g) >Mn (0,44 mg/g). Kết quả tổng hợp nghiên cứu về so sánh khả năng hấp phụ Pb và Ca của montorillonit và kaolinit cho thấy khă năng hấp phụ Pb và Cd của montorillonit (Pb: 0,68mg/g; Cd: 0,72mg/g) lớn hơn kaolinit (Pb: 0,12 mg/g; Cd: 0,32mg/g).
Nhiều nghiên cứu nói về việc sử dụng oxit sắt, oxit nhôm trong việc loại bỏ các KLN (As, Cd, Cu, Zn và Pb, Ni, Co) trong môi trường nước. Năm 1985, nghiên cứu việc sử dụng nhôm oxit trong xử lý Cr6+ trong môi trường nước, kết quả cho thấy dung lượng hấp phụ lên tới 117mg Cr6+/g oxit nhôm ở khoảng pH tối ưu là 4,0 (Babel và Kurniawan, 2003). Bên cạnh đó khả năng xử lý Pb2+ và Cd2+ do sự kết hợp của oxit nhôm, geothit và oxit sắt cũng được nghiên cứu, kết quả cho thấy khả năng loại bỏ Pb thì cao hơn khả năng hấp phụ của vật liệu với Cd2+ (Babel và Kurniawan, 2003).
1.4.1.2. Sử dụng thực vật
Bên cạnh việc áp dụng các vật liệu hấp phụ, một số thực vật, các hệ sinh thái, nhất là hệ sinh thái ngập nước được tận dụng để giải tỏa, đồng hóa các chất ơ nhiễm cũng được nghiên cứu và ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới (Porter và Nairn, 2008; Evans và nnk, 2013).
Một số loài thủy sinh được nghiên cứu có khả năng loại bỏ các KLN trong nước như lục bình (Eichornia crassipes), rau diếp nước (Pistia stratiotes), rau má (Hydrocotyle umbellata L.) và bèo tấm (Lemna minor L.). Rễ của mù tạt Ấn Độ có hiệu quả trong việc loại bỏ các Cd, Cr, Cu, Ni, Pb và Zn và hướng dương loại bỏ Pb,
U, 137Cs, và 90Sr từ các giải pháp thủy canh (Prasad và Freitas, 2003). Rau diếp nước (P. stratiotes) là một thực vật thủy sinh phát triển nhanh và sinh khối lớn với một hệ thống rễ sâu rộng có thể nâng cao loại bỏ KLN. Cây có tiềm năng loại bỏ Pb và tích lũy ở nồng độ cao chủ yếu trong hệ thống rễ. Rau diếp nước trồng trong vùng đất ngập nước kiến tạo loại bỏ cao nhất với Pb 99,28% và 65,89% đối với loại bỏ Cd (Ghosh và Singh, 2005). Theo Zayed và nnk (1998) điều tra khả năng của bèo tấm cho việc loại bỏ các Cd, Cr, Cu, Ni, Pb và Se và kết quả chỉ ra rằng bào tấm tích lũy tốt cho Cd (13,3 g/kg), Se (4,27 g/kg) và Cu (3,36 g/kg), tích lũy vừa cho Cr (2,87 g/kg), nhưng ít hấp thụ Ni (1,79 g/kg) và Pb (0,63 g/kg). Cây giống hướng dương, mù tạt Ấn Độ, thuốc lá, lúa mạch đen, rau bina và ngô đã được các nhà khoa học nghiên cứu và đưa ra kết luận rằng chúng có khả năng loại bỏ Pb từ nước thải. Trong đó, hướng dương có khả năng xử lý tốt nhất, mù tạt Ấn Độ có hiệu quả loại bỏ Pb có nồng độ trong khoảng 4 – 500 (mg/l) (Ghosh và Singh, 2005). Hệ thống cỏ Vetiver đã được ứng dụng vào nhiều nghiên cứu sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm nước, nước thải công nghiệp, nước thải thấm rỉ,… Với mỗi chậu thực hiện khác nhau thì khả năng hấp thụ kim loại bằng rễ, hiệu suất xử lý chất ô nhiễm lại khác nhau: tỷ lệ loại bỏ P và N trong nước sông bị ô nhiễm đạt 76% – 91% và 34% – 45% (Truong và Barbara, 2001). Với nhiều nghiên cứu về bèo lục bình, các nhà khoa học đã đưa ra kết luận rằng có thể sử dụng chúng để loại bỏ As trong nước uống và có thể xử lý các KLN trong nước như K, Na, Zn, Pb, Fe, Zn, Cd, Mg, Cu và Ca (Okunowo và Ogunkanmi, 2010).
Công nghệ sử dụng bãi lọc trồng cây (constructed wetlands) được coi là một phần của công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm. Bãi lọc trồng cây là hệ thống kỹ thuật được thiết kế và xây dựng để tận dụng các phương pháp tự nhiên bao gồm thực vật, đất và tổ hợp vi khuẩn nhằm hỗ trợ cho việc xử lý nước thải (Brix, 1994). Thí nghiệm đầu tiên sử dụng bãi lọc trồng thực vật kích thước lớn (macrophyte) cho xử lý nước thải được thực hiện ở Đức vào đầu những năm 1950 (Vymazal, 2005). Allende và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sử dụng cây Sậy trong mơi trường có giá thể là zeolit và đá vơi để loại bỏ KLN. Kết quả ở đây là môi
trường vùng đất ngập nước zeolit đạt hiệu quả cao hơn so với đá vôi. Hiệu suất xử lý các KLN As, Fe, B trong môi trường đất ngập nước zeolit đạt 99,9 - 96,1 - 12% trong khi vùng đất ngập nước đá vôi là 99,8 - 87,3 - 17%.
1.4.1.3. Kết hợp vật liệu hấp phụ và thực vật
Việc sử dụng kết hợp các nguồn nguyên liệu khoáng tự nhiên và thực vật cũng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao khả năng và hiệu quả xử lý ô nhiễm môi trường (Johnson và Hallberg, 2005; Gonzalez-Alcaraz và nnk, 2013) với các phương pháp kỹ thuật: trung hòa, trao đổi ion, kết tủa, đặc biệt là phương pháp hấp phụ, bãi lọc trồng cây.
Tại mỏ chì West Fork, Misouri, Mỹ, cơng nghệ xử lý kết hợp đem lại hiệu quả cao, được thiết kế gồm có các bể như sau:
- 1 bể lắng với diện tích mặt trên là 3000 m2, diện tích mặt đáy là 1920 m2, sâu 3 mét, sườn bố trí 2 bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang và 1 bãi lọc trồng cây dịng chảy đứng. Bể có ống HDPE 40 mm nước thải chảy qua van và kênh dẫn vào 2 ơ kị khí;
- Mỗi ơ kị khí có diện tích mặt đáy là 1360 m2, mặt trên là 1880 m2 có phủ lớp dăm đá vơi. Bể có các hệ thống ống dẫn: Ống HDPE 40mm, 4 bộ ống dẫn nước, 3 bộ ống thu nước. Khoảng khơng giữa các bậc chứa nước được độn phân bị hữu cơ, mùn cưa, đá vôi trơ và cỏ linh lăng. Tổng độ dày của chất nền, đường ống, lưới và vải địa kỷ thuật khoảng 1,8 m (Hình 9);
- 1 bộ lọc đá là một ơ sét nơng với diện tích mặt đáy là 5600 m2, sâu 0,3048 m. Đá vơi và cuội sỏi được bố trí xếp dưới đáy ơ. Tại ơ này có trồng cattail và tảo địa phương;
- 1 bể hiếu khí có diện tích mặt là 8000 m2 chứa ống nhựa 40 mm. Nước qua xử lý theo một kênh dẫn ngắn chảy vào nhánh phía Tây của sơng Black River
Tại khu mỏ Pennsylvania, Mỹ, một hệ thống kết hợp kênh đá vơi yếm khí và bãi lọc trồng cây đem lại hiệu quả tốt trong xử lý nước thải từ đi thải hồn nguyên. Nước thải đặc trưng bởi pH thấp, độ axit cao, hàm lượng Al và Mn khá cao, hàm lượng Fe thấp. Kênh đá vơi yếm khí có chiều dài 130m, rộng 1m, đá vơi kích thước 2-4 cm với bề dày là 1m, bề dày lớp đất sét lấp là 1m, chứa 180 nghìn tấn đá vơi với hàm lượng CaCO3 là 70%, lưu lượng dịng chảy 15 lít/phút (Hình 10).
Hình 10. Sơ đồ minh họa hệ thống tích hợp xử lý nước thải tại Somerset, Pennsylvania, Mỹ Nguồn: Williams và nnk, 1996 Hồ đá vôi Hồ đá vôi