ĐẶT VẤN ĐỀ Nước là đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa, thế nhưng hiện nay nguồn tài nguyên đó đang suy giảm về chất lượng lẫn số lượng. Việc phát triển công nghiệp không có những quy hoạch tổng thể, dân số gia tăng, đô thị ngày càng mở rộng đã làm tăng áp lực lên nguồn tài nguyên này. Trong đó, ô nhiễm kim loại nặng là một vấn đề vô cùng cấp bách không những chỉ riêng Việt Nam mà còn ở nhiều nơi trên thế giới. Tại Glasgow (1979 - 1980) có khoảng 42% các mẫu nước sinh hoạt có hàm lượng Pb vượt quá 100 mg/l.
Ngoài ra theo thống kê của các nhà nghiên cứu khi phân tích 42 mẫu bùn từ các thành phố công nghiệp ở Anh và Wales thì hàm lượng Pb dao động trong khoảng 120 - 3. Tại Thái Lan, theo báo cáo của Viện Quốc tế quản lý nước (IWMI) năm 2004 thì hầu hết các ruộng lúa tại tỉnh Tak đã bị nhiễm Cd cao gấp 94 lần TCCP, có đến 5,756 người dân chịu ảnh hưởng và có nguy cơ nhiễm độc Cd dễ mắc chứng bệnh Itai Itai (làm mềm hóa và méo mó xương, gây tổn hại thận). Loại bệnh này đã từng xảy ra ở tỉnh Toyama (Nhật Bản) vào những năm 1940. Do hoạt động khai khoáng, làm ô nhiễm Cd trên sông JinZu đã làm cho hàng trăm người dân sống ở đây bị tổn thương thận, loãng xương và nhiều người bị tử vong [2].
Có tới 60% nước sinh hoạt ở Sukinda (Ấn Độ) chứa Cr hóa trị VI với nồng độ lớn hơn hai lần so với các tiêu chuẩn quốc tế. Theo ước tính của một nhóm y tế Ấn Độ, 84,75% số người chết ở khu mỏ này đều liên quan đến các bệnh do Cr gây ra.[3] Còn ở nước ta, ô nhiễm chủ yếu diễn ra ở khu công nghiệp, khu đô thị, khu khai thác khoáng sản.Theo báo cáo môi trường quốc gia 2011 có tới 90% số doanh nghiệp không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng dòng xả nước thải xả ra môi trường, 73% số doanh nghiệp xả nước thải không đạt tiêu chuẩn, do không có các công trình và thiết bị xử lý nước thải. Có 60% số công trình xử lý nước thải hoạt động vận hành không đạt yêu cầu [4]. Thành phần nước thải chứa hàm lượng lớn các kim loại nặng như Cd, Cu, Fe, Zn, Cr,… Nước thải hiện thời vẫn chưa được phân loại dẫn đến khó khăn khi xử lý đồng thời hiệu quả xử lý không cao.
Theo nghiên cứu của Phạm Thị Nga và cộng sự (Trung tâm Địa chất và Khoáng sản Biển, 125 Trung Kính, Cầu Giấy, 2 do an Hà Nội) về hiện trạng KLN trong trầm tích Vịnh Đà Nẵng cho thấy: hàm lượng As trung bình là 5ppm cao hơn nhiềusovới hàm lượng trung bình của As trong trầm tích biển nông thế giới, và đã xuất hiện những khu vực ô nhiễm Hg ở mức trung bình 0. Hàm lượng Pb là 40ppm cao hơn nhiều so với mức tiêu chuẩn Canada (32ppm). Sở Tài nguyên và Môi trường Thành phố Đà Nẵng công bố kết quả kiểm tra nguồn nước tại vịnh Mân Quang và Âu thuyền Thọ Quang bị ô nhiễm với hàm lượng KLN vượt từ 1 đến 33 lần [5]. Ô nhiễm kim loại nặng trong nước không chỉ trực tiếp do nước thải công nghiệp và sinh hoạt mà còn có thể từ các nguồn gốc khác (giao thông vận tải, đốt than, đốt rác, phân bón, thuốc trừ sâu…).
Riêng ở nước ta, các đường ống dẫn nước và cáp ngầm do đã quá cũ nên có khả năng bị ăn mòn gây ra ô nhiễm Zn, Pb, Cd…vào môi trường nước. Các kim loại nặng dù cho nằm trong chất thải dạng khí hay rắn cũng gây ra ô nhiễm nguồn nước do sự lắng rơi xuống mặt nước sông, hồ hoặc xuống đất rồi bị các cơn mưa làm thấm vào tầng nước ngầm. Ion kim loại nặng dễ kết hợp với nước tạo ra các hidroxit. Khả năng hòa tan của các hidroxit kim loại phụ thuộc vào pH của nước.
Do đó, mức độ ô nhiễm kim loại nặng của nước phụ thuộc nhiều vào điều kiện pH. Trong lớp đáy của các dòng sông, do các quá trình sinh học thực vật bị phân hủy và tạo ra mùn. Mùn (các hợp chất humic) có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nước như tính bazo, tính hấp phụ, tạo phức…Các kim loại nặng có khả năng tạo phức với các chất hữu cơ có trong mùn, do đó mùn là yếu tố chính mang kim loại nặng trong nước. Một số thực vật thủy sinh như tảo, bèo, có đặc tính hấp thụ mạnh các kim loại nặng do đó cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu ô nhiễm kim loại nặng trong nước.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trên thị trường ngày nay có nhiều phương pháp để xử lý kim loại nặng như: Phương pháp kết tủa hóa học, hấp phụ, trao đổi ion, điện hóa, sinh học.
Tuy nhiên vẫn còn nhiều bất cập về chi phí vận chuyển, chi phí xử lý, không xử được lượng thải phát sinh, không áp dụng được cho quy mô công nghiệp lớn hoặc chỉ xử lý được kim loại ở nồng độ thấp. Bể phản ứng tầng sôi (pellet reactor) có diện tích nhỏ và kim loại sau xử lý bám lại trên hạt vật liệu nên không cần phải xử lý lượng bùn thải. Với những đặc tính đó, 3 do an nhiều nghiên cứu xử lý floride, photpho, độ cứng và kim loại nặng bằng bể phản ứng tầng sôi đã được thực hiện. Tuy nhiên, những nghiên cứu chi tiết như ảnh hưởng của các thông số như lưu lượng, pH đầu vào của nước thải, kích thước hạt, khối lượng hạt (pellet) và độ quá bão hòa (tỉ lệ hóa chất: KLN) vẫn chưa được làm rõ.
Với những lý do đó, đề tài “Xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng Pellet Reactor” với các khảo sát để tìm ra các giá trị tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng (pH đầu vào, khối lượng hạt, lưu lượng dòng chảy, tỉ lệ hóa chất) được nghiên cứu và thực hiện 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xử lý nước thải có chứa KLN ở nồng độ cao. Tìm ra phương pháp xử lý KLN hiệu suất cao, giá thành thấp và tiện lợi. Khảo sát để tìm ra các giá trị tối ưu của các yếu tố ảnh hưởng (pH đầu vào, khối lượng hạt, lưu lượng dòng chảy, tỉ lệ hóa chất) từ đó tìm ra hiệu quả xử lý của mô hình.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải phụ thuộc vào tỉ lệ [CO32- ]/[KLN] thêm vào PR. Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy của PR.
Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải phụ thuộc vào pH đầu vào. Đánh giá khả năng xử lý kim loại nặng trong nước thải phụ thuộc vào khối lượng cát. Đánh giá đặc tính của hạt trước và sau quá trình xử lý 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1 Phương pháp thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm được thực hiện cho các đề tài nghiên cứu, các thí nghiệm phải được tiến hành một cách khoa học, đúng quy trình, hợp logic để cho kết 4 do an quả thực nghiệm vừa mang tính khoa học mà vẫn khách quan, có tính chất đại diện cao và sai số ít nhất.2 Phương pháp thu thập số liệu từ tham khảo tài liệu Phương pháp này dựa trên nguồn thông tin sơ cấp và thứ cấp thu thập được từ những tài liệu nghiên cứu trước đây để xây dựng cơ sở luận cứu nhằm chứng minh giả thuyết.3 Phương pháp thu thập tài liệu từ những thực nghiệm Trong phương pháp này, số liệu được thực hiện bằng cách quan sát, theo dõi, đo đạc qua các thí nghiệm. Các nghiệm thức trong thí nghiệm (có những mức độ khác nhau) thường được lặp lại để làm giảm sai số trong thu thập số liệu.4 Phương pháp xử lý số liệu Lập đường chuẩn cường độ ampe với nồng độ.
Sau đó tiến hành đo mẫu tìm cường độ ampe thế vào đường chuẩn. Từ đó tìm được nồng độ, tính được hiệu suất. Hiệu suất cả quá trình của kim loại là trung bình chung của hiệu suất từ 2 đến 6 giờ sai số trung bình. Các thông số tối ưu là thông số có hiệu suất ổn định sau các lần chạy lặp với sai số tương đối thấp.5 Phương pháp đồ thị Phương pháp này cho thấy toàn diện và trực quan hơn về kết quả thực nghiệm.
Qua đó, có cách nhận xét, đánh giá đúng đắn, khách quan cho hướng nghiên cứu.6 Ý NGHĨA CỦA NGHIÊN CỨU 1.1 Ý nghĩa khoa học Tìm ra một phương pháp mới nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải bằng mô hình đơn giản, vật liệu cát dễ tìm, hiệu quả cao.2 Ý nghĩa thực tiễn 5 do an Nguồn vật liệu cát sử dụng trong đề tài này mang tính khả thi khi ứng dụng vào thực tiễn, vật liệu cát ở nước ta phong phú, trữ lượng lớn, quy trình chuẩn bị và xử lý vật liệu đơn giản, không tốn kém, dễ dàng ứng dụng vào xử lý nước thải công nghiệp. 6 do an CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 7 do an CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 KHÁI NIỆM Ô NHIỄM KIM LOẠI NẶNG 2.1 Kim loại nặng là gì? Kim loại nặng là các nguyên tố xuất hiện tự nhiên có khối lượng riêng lớn hơn 5g/cm3. Độc tính của chúng phụ thuộc vào một số yếu tố bao gồm liều lượng, lộ trình tiếp xúc và các dạng hóa học, cũng như độ tuổi, giới tính, di truyền và tình trạng dinh dưỡng của các cá nhân bị phơi nhiễm. Do mức độ độc tính cao, asen, cadmium, crom, chì và thủy ngân xếp hạng trong số các kim loại ưu tiên có ý nghĩa sức khỏe cộng đồng [7].
KLN được được chia làm 3 loại: các kim loại độc (Hg, Cr, Pb, Zn, Cu, Ni, Cd, As, Co, Sn,…), những kim loại quý (Pd, Pt, Au, Ag, Ru,…), các kim loại phóng xạ (U, Th, Ra, Am,…). KLN không độc khi ở dạng nguyên tố tự do nhưng độc ở dạng ion vì nó có thể gắn kết các chuỗi cacbon ngắn khó đào thải gây ngộ độc [8].2 Các quy chuẩn quy định nồng độ kim loại nặng trong nước thải Ở Việt Nam, giá trị tối đa nồng độ kim loại nặng cho phép trong nước thải khi xả ra nguồn tiếp nhận được quy định theo QCVN 40:2011/BTNMT (Bảng 1: Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp), cụ thể cho các KLN nghiên cứu trong đề tài như sau: Bảng 2.1: Trích dẫn nồng độ kim loại nặng trong đề tài nghiên cứu trong bảng cho phép trong nước thải đầu ra: Giá trị C TT Thông số Đơn vị A B 10 Cadimi mg/L 0.