Công nghệ Cơ chế xử lý ô nhiễm Chất ô nhiễm
Tách chiết Thực vật hấp thụ, tích lũy, kết tủa và chuyển chất ô
nhiễm từ môi trường ô nhiễm vào sinh khối cây Vô cơ
Lọc Sử dụng bộ rễ thực vật để xử lý chất ô nhiễm Vô cơ/ hữu cơ
Cố định Vùng rễ cây làm giảm tính linh động của các chất ô
nhiễm, tạo phức chất ô nhiễm Vô cơ
Bay hơi
Thực vật hấp thụ các chất ô nhiễm vận chuyển lên cây lên lá sau đó chuyển hóa thành dạng hơi và giải phóng vào khí quyển
Vơ cơ/ hữu cơ
Phân hủy Thực vật hấp thụ hợp chất hữu cơ phức tạp và phân
hủy thành những phân tử có cấu trúc đơn giản hơn. Hữu cơ
Tất cả các công nghệ xử lý chất thải bằng thực vật trên không phải luôn luôn áp dụng riêng rẽ nhau. Để đạt được hiệu quả cao trong xử lý thì cần áp dụng một cách đồng thời và thích hợp, mỗi cơng nghệ có những ưu điểm và hạn chế riêng, do đó việc lựa chọn một cơng nghệ thích hợp còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại chất ô nhiễm, môi trường xử lý, nồng độ các chất ô nhiễm…
Tách chiết (Phytoextraction) là một trong những cơ chế phổ biến trong sử dụng thực vật xử lý ơ nhiễm. Đây là q trình hấp thụ và chuyển hóa các kim loại trong đất, nước thơng qua hệ rễ vào các cơ quan khí sinh của thực vật. Các lồi thực vật có khả năng này được gọi là các lồi thực vật siêu tích tụ (hyperaccumulator), chúng có khả năng hấp thụ một lượng lớn kim loại một cách khơng bình thường so với các lồi thực vật khác (ví dụ hấp thụ 0,1% đối với Cr, Co, Cu, Ni hoặc 1% đối với Zn, Mn trong thân). Tùy thuộc vào loại KLN ô nhiễm mà lựa chọn 1 loại thực vật hay kết hợp nhiều loại để trồng xử lý, tuy nhiên cần phải tiến hành thử nghiệm để xác định các đặc điểm thích hợp để đảm bảo cho q trình sinh trưởng, phát triển của thực vật [20, 55]. Các lồi thực vật thủy sinh có thể được sử dụng để xử lý ô nhiễm môi trường nước dựa vào các cơ chế chính: lọc, bay hơi, phân hủy, cố định.
1.3.2. Sử dụng bãi lọc trồng cây
Đất ngập nước kiến tạo (constructed wetland) hay bãi lọc trồng cây là một hệ thống xử lý nước thải được kiến thiết và tạo dựng mơ phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nước tự nhiên với cây trồng chọn lọc [11]. Bãi lọc trồng cây được thiết kế để tận dụng lợi thế các quá trình tự nhiên liên quan đến thảm thực vật ngập nước, đất và các vi sinh vật xảy ra tương tự trong đất ngập nước tự nhiên nhưng trong mơi trường có kiểm sốt hơn để xử lý nước thải [123].
Thành phần của đất ngập nước bao gồm nước, sinh vật và lớp nền (giá thể) với tỷ lệ giữa các thành phần đó khác nhau. Các yếu tố chính của một hệ thống đất ngập nước có khả năng xử lý nước thải bao gồm: chế độ dòng chảy và thành phần hóa-lý, lớp nền và sinh vật. Bãi lọc trồng cây có thể sử dụng các vật liệu nền (gạch, sỏi, đá ...) khác nhau; thực vật thường là các loại cây thủy sinh lưu niên, thân thảo, thân xốp, dễ chùm, nổi trên mặt nước, ngập hẳn trong nước, hay trồng trong nước nhưng thân cây nhô lên trên mặt nước [7]. Các loại thực vật khác nhau có khả năng xử lý KLN rất khác nhau [68].
Bãi lọc trồng cây được chia làm 2 nhóm chính: bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm (dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng).
Cơ chế loại bỏ KLN của bãi lọc trồng cây:
- Kết tủa và lắng ở dạng hydroxit khơng tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu;
- Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydroxit Fe, Mn trong vùng hiếu khí; - Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật sử dụng trong bãi lọc trồng cây. Những thí nghiệm đầu tiên sử dụng thực vật ngập nước để xử lý nước thải được tiến hành ở Đức vào những năm đầu thập niên 1950 [110]. Nhiều nghiên cứu về bãi lọc trồng cây được thực hiện trong khoảng hơn 20 năm nay, đặc biệt là các cơng trình của Kadlec và Knight (1996), Moshiri (1993), US-EPA (1988)… cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm như BOD5, COD, DO, TSS, phốtpho, Coliform…có giảm đáng kể trong nước thải [8].
Hình 1.15. Hệ thống bãi lọc trồng cây
1.3.3. Một số kết quả nghiên cứu khả năng xử lý kim loại bằng thực vật Trên thế giới: Trên thế giới:
Công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm môi trường nước đã được nghiên cứu nhiều trong thập kỷ qua, đã và đang tiếp tục được nghiên cứu và tiến hành sử dụng thành công ở rất nhiều nước trên thế giới.
Một số lồi thủy sinh được nghiên cứu có khả năng loại bỏ các KLN trong
nước như Lục bình (Eichornia crassipes), Bèo tấm (Lemna minor L.), Cỏ muỗi
nước (Oenathe javanica), Rau diếp nước (Pistia stratiotes), Thủy xương bồ (Lepironia articulate) và Rau má (Hydrocotyle umbellata L.) [97].
Rau diếp nước (Pistia stratiotes) là loài 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 loại bỏ cao nhất với Pb là 99,28% và đối với loại bỏ Cd là65,89% [110].
Khả năng xử lý của Bèo tấm (Lemna minor L.) cho việc loại bỏ các kim loại Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Se và Bèo 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) [133].
Lục bình (Eichornia crassipes) thường được tìm thấy ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, là thực vật nổi, phát triển nhanh với hệ thống rễ xơ phát triển tốt và sinh khối lớn, thích nghi dễ dàng với điều kiện thủy sinh khác nhau. Khả năng của lục bìnhhấp thụ Cd, Pb, Cu, Zn và Ni đã được nghiên cứu trong bãi lọc trồng cây tại Đài Loan. Kết quả nồng độ trong rễ cao hơn trong thân từ 3 đến 15 lần. Nồng độ
trong mơ rễ được tìm thấy trong thứ tự của Cu > Zn > Ni > Pb > Cd. Khả năng hấp thụ các kim loại Cd, Pb, Cu, Zn, Ni của lục bình tương ứng đạt l,24; 5,42; 21,62; 26,17; 13,46 kg/ha. Lục bình nước là một lồi thực vật có triển trọng được sử dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm Cu, Pb, Zn và Cd [83].
Một nghiên cứu khác với năm loại thực vật ngập nước: Bèo tấm (Lemna
minor L.), Lục bình (Eichornia crassipes), Cỏ muỗi nước (Oenathe javanica) và Thủy xương bồ (Lepironia articulate) để xử lý nước bị ô nhiễm. Kết quả là Lục bình và Bèo tấm tích lũy mạnh Cd với nồng độ tương ứng là 462 và 14200 mg /kg. Cỏ muỗi nước đạt được nồng độ cao nhất của Hg (1,2 mg/kg), trong khi thủy xương bồ siêu tích lũy Pb (512,4 mg/kg) đáng kể trong rễ của nó [127].
Hiệu quả loại bỏ Cu và Zn trong nước thải nuôi lợn bằng bãi lọc trồng cây sử dụng dòng chảy ngang được thực hiện và đánh giá bởi 3 yếu tố: thời gian lưu, 2 loài
thực vật khác nhau (Typha domingensis Pers. và Eleocharis cellulosa) và 2 kích
thước sỏi (5 và 15mm). Kết quả tốt nhất thu được, trong 96 giờ loại bỏ 96%Zn với loài Typha domingensis Pers và sỏi 15 mm. Đối với Cu, tại 72 giờ hiệu quả gần như 100% với cả 2 loài tực vật và kích thước sỏi. Ngược lại, với sỏi của 15 mm và khơng có thực vật, chỉ có 86% loại bỏ Cu đã đạt được [128].
Nghiên cứu của Deng (2004), sự tích lũy Pb, Zn, Cu và Cd của 12 loài thực vật ngập nước trong các vùng ô nhiễm KLN ở Trung Quốc, cây trồng trong vùng có nồng độ kim loại cao chứa kim loại cao hơn trong cây trồng ở khu vực không ô nhiễm. Kim loại tích tụ bởi các lồi thực vật ngập nước này chủ yếu phân bố trong các mơ rễ, một số lồi tích lũy kim loại tương đối cao (vượt xa nồng độ độc hại cho thực vật). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tích lũy kim loại bởi các thực vật vùng đất ngập nước có nồng độ kim loại, độ pH, và tình trạng dinh dưỡng. Kết quả thấy tiềm năng của các thực vật vùng đất ngập nước xử lý ô nhiễm môi trường [49].
Tại Việt Nam
Ở Việt Nam nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá khả năng sử dụng các lồi thực vật trong xử lý ơ nhiễm môi trường. Tuy nhiên, việc triển khai ứng dụng công nghệ này trong thực tế còn chưa phổ biến.
Một số thực vật có khả năng tích lũy tốt KLN tại Việt Nam bao gồm Vetiver (Vetiveria zizanioides), Sậy (Phragmites australis), Bèo tây (Eichhornia crassipes), Bèo cái (Pistia stratiotes), Rau muống (Ipomoea aquatic), Dừa nước (Nypa
fruticans) và Rau ngổ (Enhydra fluctuans) [21].
Bằng thực nghiệm, một số tác giả trong nước đã chứng minh được vai trò quan trọng của một số thực vật thuỷ sinh trong việc tích luỹ vào cơ thể của chúng các KLN khác nhau. Chẳng hạn cây Bèo tây (Eichhornia crassipes) có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Zn và Fe trong nước thải công nghiệp, cây Cải soong (Nasturtium officinale) có thể xử lý được Cr và Ni từ nước thải mạ điện, trong khi Rong đi chó (Cretatophyllaceae) và Bèo tấm (Lemna minor L.) lại có khả năng giảm thiểu được Fe, Cu, Pb và Zn có trong hồ Bẩy Mẫu, Hà Nội [9].
Lê Văn Nhạ (2010) đã chọn lọc được 19 loại cây có khả năng lọc sạch nước bị ô nhiễm như Rong đi chó (Cretatophyllaceae), Rong đuôi chồn (Haloragaceae), Sậy (Phragmites australis), Bèo hoa dâu (Azollaceae), Bèo tây (Eichhornia crassipes), Bèo cái (Pistia stratiotes) … Những loại cây này được đưa vào trồng thực nghiệm tại Bình Dương và Bắc Ninh là hai địa phương có nhiều cơ sở sản xuất cơng nghiệp và nhiều khả năng cao gây hiện tượng ô nhiễm nguồn nước mặt. Kết quả cho thấy nước tại cả hai tỉnh Bắc Ninh và Bình Dương sau khi qua hệ thống bãi lọc trồng cây đã cho ra nguồn nước đạt quy chuẩn tưới tiêu, cho phép vi sinh vật hoạt động bình thường [10].
Trong nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây, Bèo lục bình (Eichornia crassipes) được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt với hiệu quả xử lý như sau: chất rắn lơ l ửng đạt 90 ÷ 95%, COD, BOD5 đạt 70%, phốtpho tổng giảm tới 75%, nitơ tổng giảm tới 88% và chất lượng nước sau xử lý đạt mức A theo QCVN 14: 2008/BTNMT và QCVN 40: 2011/BTNMT. Kết quả nghiên cứ cho thấy có thể sử dụng Bèo lục bình cho xử lý nước thải sinh hoạt, thích hợp cho qui mơ vừavà nhỏ như các khu vực ven đơ, nơng thơn nơi có diện tích rộng hay trong các khu đô thị [16].
Đề tài nghiên cứu về bãi lọc trồng cây của Nguyễn Việt Anh (2006) cho thấy kết quả bể lọc trồng các loại thực vật nước dễ kiếm, phổ biến ở Việt Nam như Cỏ nến, Thủy trúc, Sậy, Mai nước… cho phép đạt tiêu chuẩn đầu ra môi trường, là công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhất là quy mộ hộ gia đình, các điểm du lịch, các trang trại, làng nghề…[1].
1.3.4. Khả năng xử lý kim loại nặng của cây Sậy và Mộc tặc trãi
Cây Sậy (Phragmites australis) cũng được đánh giá là loài thực vật tiềm năng và sử dụng rộng rãi trong bãi lọc trồng cây. Ví dụ trong việc làm sạch nguồn nước thải tại một cơ sở tuyển quặng thiếc ở Thái Nguyên, Sậy được trồng trong bãi
lọc trồng cây với quy mô 5m3/ngày xử lý nước thải chứa các kim loại như As, Pb,
Cu, Fe, Zn và Sn. Sậy phát triển khá tốt và sau khi trồng khoảng 1 - 2 tháng. Lượng KLN được tích tụ chủ yếu trong lớp bùn của bãi lọc trồng cây, nhiều nhất là ở phần bùn phía tiếp nhận nước vào. Thời gian hoạt động của bãi lọc trồng cây càng lâu thì khả năng làm sạch nguồn nước thải càng hiệu quả [8].Với những đặc tính ưu việt, cây Sậy là cây được chọn để đưa vào mơ hình xử lý nước thải tại khu chế biến quặng chì kẽm Chợ Đồn.
Kết quả nghiên cứu của Đặng Văn Minh cho thấy khả nặng loại bỏ KLN trong đất của Sậy khá cao: Cd còn 3,32 (mg/kg); As còn 11,19 (mg/kg) giảm 14,52 lần so với ban đầu, hàm lượng các kim loại sau khi được xử lý đều nằm trong giới hạn của QCVN 03:2008/BTNMT về đất cơng nghiệp.
Sự tích tụ các kim loại trong cây Sậy phân bố không đồng đều, rễ cây có khả năng tích tụ các kim loại tốt hơn lá cây và kim loại dịch chuyển trong thực vật từ rễ lên đến lá cây (Enkelejda và Uran, 2015; Al-Akeel và nnk, 2009). Khả năng hấp thụ các kim loại của cây Sậy trên mặt đất đạt tỉ lệ khá cao: Zn - 59%, Cd - 55%, Cr - 38% (Vymazal và Brezinova, 2016).
Fletcher và nnk (2014) 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%.
Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy cây Sậy có khả năng xử lý tốt các chất ơ nhiễm trong nước thải từ các hoạt động khai thác khoáng sản: KLN, chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng,…
Ngoài ra, cây Sậy phân bố phổ biến ở Việt Nam, chủ yếu mọc ở khu vực ven rừng, ven sơng suối. Cây Sậy thích nghi và sinh trưởng, phát triển tốt trên các mỏ khai thác quặng, chiều cao trung bình cây đạt từ 1,2 - 1,9 m, chiều dài lá đạt trung bình 0,35 - 0,45 m, chiều dài rễ trung bình từ 0,2 - 0,3 m [15]. Cây Sậy cũng mọc phổ biến dọc theo hệ thống sơng suối khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn (Hình 1.16). Do đó,
nguồn cung cấp tự nhiên cây Sậy trong xử lý ơ nhiễm mơi trường nước khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn là rất khả thi.
Loài mộc tặc trãi là một trong những loài thực vật tự nhiên mọc ở bãi đi thải mỏ, cịn sống sót trong điều kiện khắc nghiệt và có khả năng chịu đựng cao đối với độ pH thấp và nồng độ kim loại cao. Mộc tặc đòi hỏi một nguồn cung cấp liên tục của độ ẩm, do đó trong mơi trường khai thác mỏ nó có thể được tìm thấy bên cạnh dịng thốt nước mỏ. Nói chung, là ít đối thủ cạnh tranh và không đe dọa các loài thực vật khác, nhưng là độc hại cho gia súc ăn cỏ.
Hình 1.16. Cây Sậy mọc ven suối khu mỏ chì kẽm Chợ Đồn
Kết luận chương 1: Hầu hết các lồi thực vật có thể chống chịu và thích nghi tốt với nồng độ trung bình của các kim loại trong nước. Trong khi đó, vật liệu hấp phụ có khả năng xử lý nước có hàm lượng kim loại nặng cao. Do đó, sự kết hợp giữa vật liệu hấp phụ và thực vật được đánh giá là giải pháp khả thi trong xử lý nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng với tải lượng đầu vào khác nhau. Các nghiên cứu về sự kết hợp của cả hai là vật liệu hấp phụ và thực vật trên thế giới cịn hạn chế, với Việt Nam đây là cơng nghệ mới và chưa được triển khai nghiên cứu.
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Nước thải: Nghiên cứu với 3 loại nước gồm:
+ Nước lấy trực tiếp tại khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng,
+ Nước pha chế tương tự nước thải trực tiếp khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng, + Nước pha chế tương tự nước thải bể lắng 3 khu chế biến chì, kẽm Lũng Váng.
- Vật liệu:
Bùn thải của khu chế biến sắt Bản Cuôn (huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn) được biến tính bằng nhiệt độ và thủy tinh lỏng cho phù hợp với đối tượng xử lý: As, Pb, Mn, Zn, Cd.
- Thực vật:
Cây Sậy (Phragmites australis) và Mộc tặc trãi (Equisetum diffusum) được thu thập tại Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn.
2.2. Phạm vi nghiên cứu
Nước thải khai thác và chế biến khống sản chì, kẽm tại khu chế biến Lũng Váng thuộc khu mỏ chì, kẽm Chợ Đồn (huyện Chợ Đồn, tỉnh Bắc Kạn) có thành phần ơ nhiễm KLN là As, Pb, Mn, Zn, Cd.
2.3. Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ bùn thải khu chế biến sắt và đánh