mơ hình kết hợp vật liệu – thực vật
Nồng độ Cd giảm đáng kể khi qua hệ thống vật liệu hấp phụ ngay từ ngày đầu tiên thí nghiệm từ 0,1 mg/l xuống 0,04 mg/l, sau 10 ngày giảm xuống cịn 0,01 mg/l và có hiệu suất xử lý cao nhất là 90% nhưng những ngày tiếp theo lại tương đối ổn định với hiệu suất khoảng 80%, đến ngày cuối cùng của thí nghiệm lại giảm xuống 68,7%, điều này có thể do giải hấp của vật liệu đối với kim loại Cd. Nồng độ Cd trong nước đầu ra của hệ thống vật liệu hấp phụ, vật liệu hấp phụ - dòng chảy mặt và vật liệu hấp phụ - dịng chảy ngầm giảm khơng đáng kể dao động trong khoảng tương ứng 0,01 -0,04; 0,02-0,05; 0,01-0,04 mg/l (Hình 3.81). Hiệu suất xử lý trung bình tương ứng 78,4; 61,1 và 73,1% (Hình 3.82). Điều đáng lưu ý là nồng độ đầu ra của cả 3 hệ thống đều đạt giới hạn QCVN 40:2011/BTNMT loại A.
Hình 3.81. Diễn biến hàm lƣợng Cd trong mơ hình kết hợp vật liệu – thực vật
Hình 3.82. Hiệu suất xử lý Cd trong mơ hình kết hợp vật liệu – thực vật mơ hình kết hợp vật liệu – thực vật
3.4.3. Cơ chế xử lý nƣớc thải của hệ vật liệu – thực vật
3.4.3.1. Hàm lượng kim loại nặng trong vật liệu sau xử lý
Tổng lượng kim loại mất đi trong dung dịch sau khi qua cột vật liệu lớn hơn tổng hàm lượng KLN tích lũy trong vật liệu dạng hạt (Hình 3.83). Tỉ lệ KLN bị cột vật liệu hấp phụ trên tổng lượng kim loại mất đi đối với Mn, Zn, Cd, Pb, As lần lượt là 18,83; 24,25; 78,28; 57,76 và 26,93%. Như vậy, một phần KLN mất đi trong dung dịch là do các ion KLN này bị thủy phân trong dung dịch tạo kết tủa và lọc trong cột vật liệu.
Hình 3.83. Lƣợng KLN mất đi trong dung dịch so với lƣợng tích lũy tại cột vật liệu
3.4.3.2. Sự tích lũy kim loại nặng trong cây sậy của hệ thống
Hàm lượng các KLN trong rễ, thân và lá được thể hiện trong các hình 3.84. Hàm lượng kim loại trong rễ đều cao hơn hàm lượng trong thân và lá, chứng tỏ khả năng vận chuyển các kim loại từ rễ vào trong thân không cao. Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb và As trong rễ của hệ thống dòng chảy ngầm tương ứng đạt 2486, 434, 110, 219, 41 mg/kg-DW; trong thân cũ tương ứng là 14, 104, 46, 149, 5 mg/kg-DW và trong thân mới 75, 103, 44, 117, 3mg/kg-DW.Hàm lượng Mn, Zn, Cd, Pb và As trong rễ của hệ thống dòng chảy mặt tương ứng đạt 1060, 758, 95, 330, 17mg/kg- DW; trong thân cũ là 93, 102, 46, 159, 6 mg/kg-DW và trong thân mới là 66, 153, 48, 127, 4 mg/kg-DW. Kết quả phân tích cũng cho thấy tổng hàm lượng các kim loại trong cây của hệ thống dòng chảy ngầm cao hơn so với hàm lượng kim loại trong cây của hệ thống dòng chảy mặt tương ứng là 3948 mg/kg-DW và 3062 mg/kg-DW. 0 1000 2000 3000 4000 5000 Mn Zn Cd Pb As K hối lư ợng ki m loại nặng (m g) Kim loại nặng Tổng lượng KLN mất đi trong dung dịch Tổng lượng KLN tích lũy trong vật liệu
Tóm lại, hệ số tích lũy Cd cao nhất, hệ số tích lũy As thấp nhất. Hệ số tích lũy kim loại trong dòng chảy ngầm của Cd > Mn > Pb > Zn> As, lần lượt là 2606, 1974, 1105, 558, 120mg/kg-DW trong hệ thống dòng chảy mặt lần lượt là: Cd > Pb > Zn > Mn > As, tương ứng là 2144, 987, 759, 520, 38 mg/kg-DW(Hình 3.84).
Hình 3.84. Hàm lƣợng Mn, Zn, Cd, Pb và As tích lũy trong cây Sậy của mơ hình
Ngồi ra, dựa vào kết quả phân tích, hệ số vận chuyển kim loại Mn, Zn, Cd, Pb và As của cây Sậy trong 2 hệ thống dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm lần được
thể hiện trong hình 3.86. Trong đó, hệ số vận chuyển kim loại Zn, Cd và Pb của cây Sậy trong hệ thống dòng chảy ngầm cao hơn so với hệ số vận chuyển tương ứng trong hệ thống dòng chảy mặt, lần lượt là 0,25; 0,72; 0,62 và 0,17; 0,50; 0,44. Hệ số vận chuyển Mn và As trong hệ thống dòng chảy mặt cao hơn trong hệ thống dòng chảy ngầm, lần lượt là 0,08; 0,30 và 0,02; 0,10. Hệ số vận chuyển của Cd và Pb cao nhất, của Mn thấp nhất. Hệ số vận chuyển TF của các kim loại đều nhỏ hơn 1, cho thấy khả năng dịch chuyển kim loại từ rễ lên thân cây là tương đối tốt.
Hình 3.85. Hệ số tích lũy kim loại của cây Sậy
Hình 3.86. Hệ số vận chuyển kim loại của cây Sậy kim loại của cây Sậy
3.5. Nghiên cứu áp dụng giải pháp kết hợp vật liệu và thực vật xử lý nƣớc thải khai thác và chế biến khống chì, kẽm tại huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn
3.5.1. Đánh giá sự sinh trƣởng và phát triển của cây Sậy
Tổngf số cây được trồng trong mô đun MD3, MD4, MD5, MD6, MD7 và MD8 lần lượt là 190, 198, 185, 192, 72 và 72 cây. Sau một tuần trồng, cây Sậy bắt đầu mọc mầm tại các mắt của cây. Số lượng cây mọc mầm trong mỗi mô đun là tương đối tốt (Hình 3.87).
Hình 3.87. Cây Sậy trồng sau 7 ngày và 1 tháng của hệ pilot 5m3/ngày đêm
Hình 3.88. Cây Sậy trồng sau 2 và 3 tháng của hệ pilot 5m3/ngày đêm
Sau 1 tháng thí nghiệm, cây Sậy bắt đầu ra nhiều lá, và phát triển tốt. Số cây phát triển tốt tại MD3, MD4, MD5, MD6, MD7 và MD8 lần lượt là 39, 31, 18, 36, 24 và 23 cây (Hình 3.87). Phần trăm cây phát triển tốt, bình thường tại MD3, MD4, MD5, MD6, MD7 và MD8 lần lượt là 82,1; 53; 38; 76; 83; 94,2%. Trong đó MD8 có số cây phát triển tốt, bình thường là cao nhất, là do cây thích ứng tốt hơn với nền giá thể đá ong hơn là đá vơi, vì trong đá ong vẫn cịn một ít tạp chất dinh dưỡng, đất sau khi lọc rửa giá thể. Số lượng cây Sậy chết là tương đối ít tại mỗi mô đun lần lượt chiếm 5,8; 6,9; 9,2; 7,8; 5,5 và 1,4% tương ứng với các mô đun MD3, MD4, MD5, MD6, MD7 và MD8.
Sau 2 tháng trồng cây, cây Sậy phát triển tốt và tương đối ổn định so với 1 tháng trước (Hình 3.88), phần trăm cây phát triển tốt, bình thường tại MD3, MD4, MD5, MD6, MD7, MD8 lần lượt chiếm 81,3; 58,6; 42,5; 77,1; 82; 87,7%. Phần
trăm cây chết tại mỗi mơ đun tuy có tăng lên, nhưng khơng đáng kể lần lượt chiếm 8,7; 13,5; 15,0; 10,0; 6,6; 3,5% tương ứng với MD3, MD4, MD5, MD6,MD7 và MD8. Sau 2 tháng, chiều cao trung bình tại các cành nhỏ, cành lớn lần lượt là 12,1; 75,6 cm (MD3); 12,1; 63,3 cm (MD4); 16,4; 64,8 cm (MD5); 13,8 ;75,3 (MD6);
17,9; 81,2 (MD7); 19,2; 84,3 (MD8). Hệ pilot 5m3/ngày đêm bắt đầu vận hành sau
2 tháng trồng cây.
Bảng 3.15. Khả năng phát triển của cây Sậy sau 1 tháng (số cây)
STT Khả năng phát triển cây MD3 MD4 MD5 MD6 MD7 MD8
1 Cây phát triển tốt 39 31 18 36 24 23
2 Cây phát triển bình thường 80 30 30 65 23 26
3 Cây không mọc mầm 45 73 61 60 16 20
4 Cây có thể chết 15 41 59 16 5 2
5 Cây chết 11 13 17 15 4 1
6 Tổng cây Sậy đã trồng 190 188 185 192 72 72
Bảng 3.16. Khả năng phát triển của cây Sậy sau 2 tháng (số cây)
STT Khả năng phát triển cây MD3 MD4 MD5 MD6 MD7 MD8
1 Cây phát triển tốt 34 27 24 37 18 36
2 Cây phát triển bình thường 88 51 24 71 32 14
3 Cây không mọc mầm 40 55 72 52 11 15 4 Cây có thể chết 15 37 48 18 7 5 5 Cây chết 13 18 17 14 4 2 6 Tổng cây Sậy đã trồng 190 188 185 192 72 72 7 Tổng cụm 56 52 58 58 32 29 8 Tổng mầm (mọc lên từ cây hoặc rễ...) 293 246 262 321 97 127
Bảng 3.17. Khả năng phát triển của Sậy cây sau 3 tháng (số cây)
STT Khả năng phát triển cây MD3 MD4 MD5 MD6 MD7 MD8
1 Cây phát triển tốt 134 91 79 126 39 63
2 Cây phát triển bình thường 20 28 30 19 9 2
3 Cây không mọc mầm 8 23 19 10 9 3 4 Cây có thể chết 4 18 12 7 4 1 5 Cây chết 4 5 7 3 5 2 6 Tổng cây Sậy đã trồng 170 165 147 165 66 70 7 Tổng cụm 56 52 58 58 32 29 8 Tổng mầm (mới mọc) 308 238 218 290 96 130
Sau 3 tháng trồng cây, tình hình cây phát triển tương đối ổn định (Hình 3.95). Phần trăm cây phát triển tốt tại MD3, MD4, MD5, MD6, MD7 và MD8 lần lượt là 78,8; 55,2; 53,7; 76,4; 90%. Số lượng cây chết tại mỗi mô đun là không đáng
kể lần lượt là 4, 5, 7, 3, 5, 2 cây (Bảng 3.17). Chiều cao trung bình tại các cành thấp nhất và cao nhất của cây Sậy tại các mô đun lần lượt là 9,0; 65,0 cm (MD3); 12,0; 57,9 cm (MD4); 8,1; 49,5 cm (MD5); 9,4; 63,1 cm (MD6); 11,8; 63,5 cm (MD7); 10,4; 68,9 cm (MD8). Từ đó nhận thấy cây phát triển tương đối đồng đều tại mỗi mô đun, ngoại trừ cây ở MD8 trồng trên giá thể đá ong nên cây phát triển tốt hơn, cao hơn. Từ tháng thứ 4, cây bắt đầu xuất hiện các lá úa vàng, nhưng vẫn tiếp tục phát triển trong các tháng tiếp theo.
3.5.2. Đánh giá kết quả áp dụng giải pháp kết hợp vật liệu và thực vật quy mô 5m3/ngày đêm 5m3/ngày đêm
3.5.2.1. Thông số BOD5 , COD trong nước tại các mô đun
Chỉ số BOD5 và COD: Giá trị BOD5 và COD trong nước thải lần lượt là 3,9
và 8,1 mg/l, giảm xuống còn 2,4 - 2,7 và 3,2 - 3,8 mg/l sau khi qua 1 hồ lắng, bể lắng (MD1), bể hấp phụ (MD2) và bãi lọc trồng cây (MD3-8).
Sau 3 tháng tiến hành thí nghiệm, giá trị TSS của nước thải đầu ra khá ổn định. Giá trị TSS của nước thải khu vực bể lắng 2, 3 và đi qua hệ thống MD1 và MD2 và bãi lọc trồng cây đạt quy chuẩn loại A QCVN40-2011. Cụ thể, hàm lượng TSS trong nước thải ban đầu của hồ lắng 2; 3; bể lắng; vật liệu; dòng chảy ngầm (đá vơi); dịng chảy ngầm (đá ong) lần lượt là: 22,8; 17,2; 14,8; 11,3; 15,1; 11,9 mg/l; sau 1 tháng đạt 19,44; 13,8; 9,7; 12,4; 16,6; 15,4 mg/l; sau 3 tháng đạt 14,9; 13,2; 9,58; 10,4; 13,9; 14,6 mg/l.
3.5.3.2. Hàm lượng kim loại nặng trong nước tại các mô đun
Mangan (Mn): Kết quả phân tích hàm lượng Mn trong nước thải sau khi qua
hệ thống hồ lắng, bể lắng, cột vật liệu, mô đun trồng cây Sậy (Hình 3.89) cho thấy, nước thải sau qua hệ thống bể lắng – vật liệu – dịng chảy ngầm (đá vơi) hoặc hệ thống bể lắng – vật liệu – dịng chảy ngầm (đá ong) sau 3 tháng thí nghiệm vẫn đạt loại A theo QCVN40/2011. Hàm lượng Mn trong nước chảy qua hệ thống vật liệu giảm mạnh trong 7 ngày đầu thí nghiệm và hiệu suất loại bỏ Mn bởi vật liệu giảm dần trong 3 tháng. Hiệu suất xử lý Mn trung bình của hệ thống bể lắng – vật liệu – dòng chảy ngầm (đá vôi) và hệ thống bể lắng – vật liệu – dòng chảy ngầm (đá ong)sau 1 tuần đạt 99,9% và 79,9% và sau 1 tháng đạt 99,2; 92,8%, sau 3 tháng đạt lần lượt là 99,4 và 92,1%. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng nhất thiết
phải cần chảy qua hệ thống vật liệu và dịng chảy ngầm, vì chỉ qua bể lắng từ số 3 đến số 4 thì khả năng loại bỏ Mn rất thấp, gần như không giảm.
Hình 3.89. Diễn biến hàm lƣợng Mn trong nƣớc tại các mơ đun
Hình 3.90. Diễn biến hàm lƣợng Mn trung bình trong nƣớc tại các mơ đun
Kẽm (Zn): Hàm lượng Zn trong nước lấy tại hồ lắng 2 (BL2), hồ lắng 3 (BL3) và bể lắng (MD1), hệ hấp phụ (MD2) và hệ thống bãi lọc trồng cây trong khoảng 3 tháng tiến hành thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.91. Kết quả phân tích cho thấy, hàm lượng Zn trong nước thải sau khi qua hệ thống đạt QCVN40/2011- loại A (Hình 3.91). Sau khi đi qua hệ thống hồ lắng 2, 3 (BL2, BL3) và bể lắng (mô đun 1), cột vật liệu hấp phụ hàm lượng Zn trong nước thải giảm đi đáng kể (Hình 3.98). Nhìn chung, khả năng xử lý Zn giảm đi theo thời gian trong 3 tháng tiến hành thí nghiệm. Cụ thể, hàm lượng Zn ban đầu của hồ lắng 2 – bể lắng – vật liệu – dòng chảy ngầm (đá vôi) – dòng chảy ngầm (đá ong) khi bắt đầu thí nghiệm là 1,29; 0,483; 0,034; 0,021; 0,004 mg/l; sau 1 tháng thí nghiệm, hàm lượng tương ứng là 0,810; 0,724; 0,188;0,273; 0,226 mg/l; sau 3 tháng 1,561; 0,735; 0,609; 0,536;
0,583mg/l. Hiệu suất xử lý Zn trung bình bởi vật liệu là 77,2% trong 1 tháng thí nghiệm. Hiệu suất xử lý Zn trung bình của bể lắng – vật liệu – dịng chảy ngầm (đá vơi) và bể lắng – vật liệu – dòng chảy ngầm (đá ong) lần lượt91,2% và 91,9%sau 3 tháng thí nghiệm (hình 3.92). Do nước thải có hàm lượng Zn nhỏ hơn giới hạn quy định trong QCVN40/2011-BTNMT, cần có những nghiên cứu với mức hàm lượng cao hơn để đánh giá được khả năng xử lý nước bị ô nhiễm Zn bởi hệ thống bãi lọc trồng cây (contructed wetland) sử dụng cây Sậy.
Hình 3.91. Diễn biến hàm lƣợng Zn trong nƣớc tại các mơ đun
Hình 3.92. Diễn biến hàm lƣợng Zn trung bình trong nƣớc tại các mơ đun
Asen (As): Kết quả phân tích hàm lượng As trong mẫu nước thải tại các hồ
lắng, bể lắng, cột vật liệu và bãi lọc trồng cây trong 3 tiến hành thí nghiệm (Hình 3.100) cho thấy, hàm lượng As sau khi đi qua hệ thống bể lắng (MD1), hệ hấp phụ (MD2), và bãi lọc trồng cây đều đạt quy chuẩn loại B-QCVN40:2011, sau khi đi qua hệ thống bãi lọc trồng cây (MD5-8) thì hàm lượng As đạt quy chuẩn loại A.
Trong đó, hiệu xuất xử lý của hệ thống dịng chảy ngầm đá ong có khả năng xử lý As tốt hơn so với dịng chảy ngầm đá vơi. Cụ thể, hàm lượng As trong nước chảy qua hệ thống vật liệu giảm tương đối ổn định sau 3 tháng (Hình 3.93). Hiệu suất xử lý As bởi vật liệu trong những ngày đầu thí nghiệm là 82,67%, tuy nhiên sau đó giảm xuống cịn 59,65% sau 1 tháng thí nghiệm và giảm còn 23,93% sau 3 tháng tiến hành thí nghiệm. Hiệu suất xử lý As trung bình của hệ thống bể lắng – vật liệu – dịng chảy ngầm (đá vơi) và bể lắng – vật liệu – dòng chảy ngầm (đá ong) tương ứng là 97,7 và 97,8% sau 7 ngày thí nghiệm; hiệu suất xử lý trung bình sau 3 tháng thí nghiệm là 79,8 và 80,5% (Hình 3.94). Khả năng xử lý As của hệ thống 5
m3/ngày đêm và hệ thống pilot 50l/ngày đêm là tương đối giống nhau.
Hình 3.93. Diễn biến hàm lƣợng As trong nƣớc tại các mơ đun
Hình 3.94. Diễn biến hàm lƣợng As trung bình trong nƣớc tại các mơ đun
Cadimi (Cd): Kết quả phân tích hàm lượng Cd trong nước chảy qua hệ thống
vật liệu và bãi lọc trồng cây có xu hướng giảm tương đối ổn định (Hình 3.95). Hàm lượng Cd trong nước thải ban đầu tại hồ lắng 2 (BL2), hồ lắng3 (BL3), bể lắng
(MD1), cột vật liệu và hệ thống cây lần lượt là: 0,747; 0,631; 0,435; 0,128; 0,042; 0,005 – 0,103 mg/l, sau 1 tháng tương ứng là 0,742; 0,710; 0,526; 0,390; 0,042 – 0,045 mg/l và sau 3 tháng tương ứng lần lượt là 0,669; 0,530; 0,504; 0,209; 0,028- 0,011 mg/l. Nhìn chung, hàm lượng Cd sau khi đi qua bể lắng (mô đun 1) và cột hấp phụ (mô đun 2) chưa đạt quy chuẩn QCVN40:2011 loại B, nhưng sau khi đi qua hệ thống bãi lọc trồng cây nước thải từ MD3-8 thì đạt QCVN40:2011 loại B. Hiệu suất xử lý Cd trung bình của hệ thống bể lắng – vật liệu – dịng chảy ngầm (đá vơi) đạt 94,42% cao hơn so hệ thống bể lắng – vật liệu – chảy ngầm (đá ong) 88,46% sau 3 tháng thí nghiệm (Hình 3.96).
Hình 3.95. Diễn biến hàm lƣợng Cd trong nƣớc tại các mô đun
Hình 3.96. Diễn biến hàm lƣợng Cd trung bình trong nƣớc tại các mơ đun
Chì (Pb): Hàm lượng Pb trong nước thải tại các hồ lắng và sau khi đi qua bể
lắng, cột vật liệu, bãi lọc trồng cây trong thời gian 3 tháng tiến hành thí nghiệm được thể hiện ở (hình 3.97). Nhìn chung, hàm lượng Pb ban đầu nước thải tại hồ lắng 2 là 0,56 mg/l sau đó giảm xuống cịn 0,61; 0,57; 0,51mg/l sau khi đi qua hồ