Tài liệu Nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên khi sử dụng các loại cơ chất khác nhau

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT AAS Atomic absorption spectrophotometer (Máy quang phổ ABR hấp thụ nguyên tử) Anaerobic baffled reactor (Cột/bể phản ứng kị khí chảy ADP ngang) Adenosine diphosphate AF AMD Anaerobic filter reactor (Cột/bể phản ứng kị khí kiểu lọc) Acid mine drainage (Nước thải khai thác mỏ) AMP APS ATP Adenosine monophosphate Adenosine phosphosulfate Adenosine triphosphate COD Chemical oxygen demand (Nhu cầu oxy hóa học) CWs DSFF Constructed wetlands (Vùng/hệ thống đất ngập nước) Downflow stationary fixed film reactor (Cột/bể phản ứng EB màng cố định chảy xuôi) Expanded bed reactor (Cột/bể phản ứng mở rộng) FB HRT HPSH MPN Fluidized bed reactor (Cột/bể phản ứng tầng sôi) Hydraulic retention time (Thời gian lưu nước) Hấp phụ sinh học Most probable number NADP Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate SEM Scanning electronic microscopy (Kính hiển vi điện tử SRB Sulfate reducing bacteria (Vi khuẩn khử sunphat) STN PAPS Cơ chất giá thể sau trồng nấm Phosphoadenosine phosphosulfate PCR Polymerase chain reaction (chuỗi phản ứng polimeraza) PPi TB TOC Inorganic phosphate (photphat vô cơ) Cơ chất than bùn Total organic carbon (Tổng cácbon hữu cơ) quét) III TSS Total suspended solids (Tổng chất rắn lơ lửng) UASB Upflow anaerobic slugde blanket reactor (Cột/bể phản ứng bùn kị khí chảy ngược) Cơ chất xơ dừa XD IV MỤC LỤC Lời cảm ơn I Lời cam đoan II Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt III Danh mục các bảng IX Danh mục các hình vẽ, đồ thị XII Mở đầu 1 Chương I: Tổng quan tài liệu 6 1.1. Phân loại nước thải 6 1.1.1. Nước thải sinh hoạt 6 1.1.2. Nước thải công nghiệp 6 1.2. Kim loại nặng trong môi trường nước 7 1.2.1. Kim loại nặng và sự chuyển hoá trong môi trường nước 7 1.2.2. Tính độc của kim loại nặng 10 1.2.2.1.Đồng 10 1.2.2.2. Asen 12 1.2.3. Nước thải chứa kim loại nặng trong quá trình sản xuất công nghiệp ở Việt Nam và tác động của chúng đến môi trường 1.3. Công nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nặng V 13 19 1.3.1. Sử dụng các biện pháp sinh học trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước 19 1.3.1.1. Sử dụng thực vật 20 1.3.1.2. Sử dụng các vật liệu hấp phụ sinh học 23 1.3.1.3. Sử dụng vi sinh vật 26 1.3.2. Các dạng cột phản ứng kị khí 35 1.3.3. Cột phản ứng sinh học kị khí với cơ chất rắn 39 1.3.4. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biện pháp kị khí để xử 43 lý nước thải chứa kim loại nặng 1.3.4.1. Trên thế giới 43 1.3.4.2. ở Việt Nam 45 Chương II: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 46 2.1. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu 46 2.1.1. Vật liệu 46 2.1.2. Thiết bị 46 2.2. Các phương pháp nghiên cứu 47 2.2.1. Chuẩn bị dụng cụ phân tích 47 2.2.2. Loại bỏ oxy và chỉ thị môi trường khử 47 2.2.3. Các thí nghiệm sử dụng cột phản ứng sinh học kị khí tạo sunphua để nghiên cứu khả năng loại bỏ kim loại nặng 49 2.2.4. Đếm số lượng SRB 50 2.2.5. Phân lập SRB 50 VI 2.2.6. Phân loại vi khuẩn 51 2.2.6.1. Đặc điểm hình thái 51 2.2.6.2. Các phương pháp sinh học phân tử 51 2.2.7. Phương pháp phân tích kim loại nặng 57 2.2.7.1. Xác định hàm lượng đồng 57 2.2.7.2. Xác định hàm lượng asen 57 2.2.8. Phương pháp xác định COD 58 2.2.9. Các chỉ tiêu khác 59 2.2.10. Phương pháp xác định thành phần của các cơ chất: các chất hòa tan trong nước nóng, xenlulo, hemixenlulo, lignin, tro 59 2.2.10.1. Các chất hòa tan trong nước nóng 59 2.2.10.2. Lignin 59 2.2.10.3. Hemixenlulo 60 2.2.10.4. Xenlulo 60 2.2.11. Xác định khả năng hấp phụ kim loại bởi cơ chất 60 2.2.12. Xác định khả năng loại bỏ kim loại của các chủng vi 61 khuẩn lựa chọn 2.2.13. Phương pháp quan sát đặc điểm cơ chất bằng kính hiển vi 62 điện tử quét 2.2.14. Phương pháp xác định sunphua 62 2.2.15. Phương pháp xác định axít béo 63 2.2.16. Phương pháp xử lý thống kê 63 VII Chương III: Kết quả và thảo luận 64 3.1. Xây dựng cột phản ứng sinh học kị khí tạo sunphua với các loại 64 cơ chất khác nhau 3.1.1. Thiết lập cột phản ứng sinh học 64 3.1.2. Hoạt động của cột phản ứng sinh học 65 3.2. Cơ chất và khả năng hấp phụ kim loại nặng 65 3.2.1. Thành phần của các loại cơ chất 65 3.2.2. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của các loại cơ chất khác 71 nhau 3.3. Ảnh h-ëng cña viÖc bæ sung vi sinh vËt vµ chÊt dinh d-ìng (ph©n bß, bïn kÞ khÝ) lªn ho¹t ®éng cña cét ph¶n øng sinh häc 3.4. SRB trong các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau 76 81 3.4.1. Số lượng SRB 81 3.4.2. Thành phần SRB 82 3.4.3. Khả năng loại bỏ Cu, As của các chủng vi khuẩn phân lập 84 được 3.4.4. Một số đặc điểm sinh học của hai chủng vi khuẩn STN8 và 87 XD5 3.4.5. Kết quả định loại hai chủng vi khuẩn STN8 và XD5 bằng 89 kỹ thuật sinh học phân tử 3.4.5.1. Kết quả đọc trình tự nucleotit của rADN 16S của hai 89 chủng STN8 và XD5 VIII 3.4.5.2. Kết quả định loại hai chủng STN8 và XD5 91 3.5. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau 91 3.5.1. pH và thế năng oxy hóa khử 91 3.5.2. Độ kiềm 94 3.5.3. Hàm lượng sunphua hòa tan trong nước 95 3.6. Hiệu quả hoạt động của các cột phản ứng với các loại cơ chất 96 khác nhau 3.6.1. Hiệu quả loại bỏ sunphat 96 3.6.2. Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng 98 3.6.3. Chất hữu cơ 104 3.7. ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy lên khả năng loại bỏ kim loại nặng của cột phản ứng sinh học kị khí 108 3.8. Xử lý nước thải tuyển quặng bằng cột phản ứng sinh học kị khí 113 với cơ chất rắn 3.9. Xử lý cơ chất sau khi sử dụng 116 Kết luận và kiến nghị 117 Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án 119 Tài liệu tham khảo 121 Phụ lục 144 IX DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Hiện trạng ô nhiễm do kim loại nặng trong nước thải của 1. Bảng 1.1. 2. Bảng 1.2. 3. Bảng 1.3. 4. Bảng 1.4. 5. Bảng 1.5. 6. Bảng 1.6. 7. Bảng 1.7. 8. Bảng 1.8. 9. Bảng 1.9. 10. Bảng 1.10. 11. Bảng 3.1. Thành phần của cơ chất trước và sau khi thí nghiệm 12. Bảng 3.2. Sự thay đổi hàm lượng một số axít béo trong các cột một số cơ sở sản xuất cơ khí. Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải của một số nhà máy Hàm lượng một số kim loại nặng trong nước tại các làng nghề tái chế kim loại Nồng độ kim loại nặng tích luỹ trong thân một số cây "siêu tích luỹ" Một số vật liệu sinh học dùng làm chất hấp phụ kim loại nặng Tóm tắt các yêu cầu của việc lưu giữ sinh khối Các yêu cầu và điều kiện cho sự tiếp xúc hiệu quả giữa sinh khối và nước thải Thuận lợi và khó khăn của việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng bằng biện pháp kị khí Một số tác giả nghiên cứu về sử dụng cột phản ứng kị khí với cơ chất rắn để loại bỏ kim loại nặng Tóm tắt các hệ thống xử lý AF qui mô lớn tại Mỹ và Canada X phản ứng trong quá trình thí nghiệm 13. Bảng 3.3. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của các loại cơ chất 14. Bảng 3.4. 15. Bảng 3.5. 16. Bảng 3.6. 17. Bảng 3.7. 18. Bảng 3.8. 19. Bảng 3.9. 20. Bảng 3.10. 21. Bảng 3.11. 22. Bảng 3.12. Một số đặc điểm sinh học của hai chủng STN8 và XD5 23. Bảng 3.13. Hiệu quả loại bỏ COD và sunphat 24. Bảng 3.14. 25. B¶ng 3.15. Hàm lượng kim loại nặng bị hấp phụ vào toàn bộ lượng cơ chất có trong cột phản ứng Số lượng SRB trong bùn kị khí, phân bò và cơ chất trước khi cho vào cột phản ứng ảnh hưởng của bùn kị khí và phân bò lên sự phát triển của SRB trong các cột phản ứng sinh học kị khí ảnh hưởng của việc bổ sung bùn kị khí và phân bò đến một số yếu tố trong các cột phản ứng sinh học kị khí Số lượng SRB trong các cột phản ứng với các cơ chất khác nhau Các đặc điểm hình thái của một số chủng SRB tách ra từ các cột phản ứng sinh học kị khí Khả năng loại bỏ Cu của các chủng vi khuẩn phân lập được Khả năng loại bỏ As của các chủng vi khuẩn phân lập được ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đối với hoạt động của cột phản ứng kị khí Thµnh phÇn n-íc th¶i cña Trung t©m Nghiªn cøu thùc XI nghiÖm s¶n xuÊt má vµ luyÖn kim, Th¸i Nguyªn tr-íc vµ sau khi xö lý b»ng cét ph¶n øng kÞ khÝ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 1. Hình 1.1. Nguồn gốc kim loại trong nguồn nước 2. Hình 1.2. 3. Hình 1.3. 4. Hình 1.4. 5. Hình 2.1. Một số dụng cụ làm việc với SRB 6. Hình 2.2. Hệ thống phân phối khí để làm việc với vi khuẩn kị khí 7. Hình 2.3. 8. Hình 3.1. Cột phản ứng sinh học kị khí trong phòng thí nghiệm 9. Hình 3.2. Cơ chất trước, sau khi thí nghiệm và trong cột phản ứng 10. Hình 3.3. 11. Hình 3.4. 12. Hình 3.5. 13. Hình 3.6. Quá trình khử sunphat không hoàn toàn với lactate như nguồn cácbon Các dạng cột phản ứng Sơ đồ 3 dạng cột phản ứng kị khí với cơ chất rắn chảy ngược Sơ đồ thí nghiệm sử dụng cột phản ứng tạo sunphua để xử lý nước thải chứa kim loại nặng Cơ chất STN trước và sau khi thí nghiệm ở các độ phóng đại khác nhau Cơ chất XD trước và sau khi thí nghiệm ở các độ phóng đại khác nhau Cơ chất TB trước và sau khi thí nghiệm ở các độ phóng đại khác nhau Khả năng hấp phụ Cu của các loại cơ chất XII 14. Hình 3.7. Khả năng hấp phụ As của các loại cơ chất 15. Hình 3.8. Thí nghiệm khả năng hấp phụ kim loại nặng của cơ chất 16. Hình 3.9. 17. Hình 3.10. 18. Hình 3.11. 19. Hình 3.12. ảnh hưởng của bùn kị khí và phân bò khả năng loại bỏ kim loại nặng của các cột phản ứng Sự phát triển của SRB ở các độ pha loãng khác nhau Hình dạng tế bào chủng XD5 dưới kính hiển vi điện tử quét Hình dạng tế bào chủng STN8 dưới kính hiển vi điện tử quét Cây phát sinh chủng loại của 2 chủng vi khuẩn STN8 và 20. Hình 3.13. XD5 và các loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trật tự 1500 bazơ của rADN 16S 21. Hình 3.14. 22. Hình 3.15. 23. Hình 3.16. 24. Hình 3.17. 25. Hình 3.18. 26. Hình 3.19. Sự thay đổi pH trong các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau Sự thay đổi khả năng khử của các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau Sự thay đổi độ kiềm của các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau Hàm lượng sunphua hòa tan trong nước của các cột phản ứng Hàm lượng sunphat có trong nước sau khi xử lý từ các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau Sự thay đổi hàm lượng Cu trong nước sau xử lý từ các cột XIII phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất khác nhau 27. Hình 3.20. 28. Hình 3.21. 29. Hình 3.22. 30. Hình 3.23. 31. Hình 3.24. 32. Hình 3.25. 33. Hình 3.26. 35. Hình 3.27. Sự thay đổi hàm lượng Fe trong nước sau xử lý từ các cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất khác nhau Sự thay đổi hàm lượng As trong nước sau xử lý từ các cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất khác nhau Nồng độ COD trong nước thải sau xử lý Cơ chế gây ức chế hoạt động của SRB bởi sunphua kim loại Sự thay đổi tốc độ dòng nước thải và dòng chất hữu cơ bơm vào các cột phản ứng sinh học kị khí Mối quan hệ giữa tốc độ tạo thành điện tử (qua sự loại bỏ COD) và tốc độ tiêu thụ điện tử (qua sự khử sunphat) Sự thay đổi hàm lượng Cu trong cột phản ứng ở các tốc độ dòng chảy khác nhau Sự thay đổi hàm lượng As trong cột phản ứng ở các tốc độ dòng chảy khác nhau ảnh hưởng của tốc độ dòng nước chảy vào cột phản ứng 36. Hình 3.28. 37. Hình 3.29. đối với tốc độ loại bỏ COD Nước thải của Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất mỏ và luyện kim Thái Nguyên trước và sau khi xử lý XIV MỞ ĐẦU Nước thải công nghiệp là một trong những nguồn gây ô nhiễm chủ yếu cho môi trường nước. Trong đó đặc biệt là vấn đề nước thải khai thác mỏ và tuyển quặng với các tác nhân gây ô nhiễm chủ yếu như axít, kim loại nặng,... Hiện nay ở Việt Nam, các loại nước thải này gần như không được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để được xả trực tiếp ra ao, hồ, ngấm xuống nguồn nước ngầm gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, vật nuôi và cây trồng. Vấn đề này đã và đang là một thực tế đáng báo động và cần sớm có giải pháp xử lý. Ở Mỹ, người ta đã chi gần 1 triệu đô la Mỹ mỗi ngày để giải quyết vấn đề ô nhiễm do nước thải khai thác mỏ gây ra [Cohen, 2005]. Các kim loại nặng (Hg, Pb, Cd, Cr, As,...) và các hợp chất của chúng là các chất độc tích lũy và chỉ cần một lượng nhỏ đã có hại cho hầu hết các dạng sống. Ở nước ta đã và đang phát hiện nhiều ảnh hưởng tiêu cực của việc ô nhiễm kim loại nặng đối với đời sống và sức khoẻ con người. Ví dụ: Hoạt động nấu chì tái chế tại xã Chỉ Đạo, Hưng Yên đã gây ra một số bệnh cho nhân dân trong xã: số người mắc bệnh hô hấp chiếm tỉ lệ 65,6%, bệnh suy nhược thần kinh 78,1%, bệnh khớp mãn tính 49,4% [Lê Đức và cs, 2000]. Việc ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Quỳnh Lôi, Hà Nội [Ngô Ngọc Cát, 2001] và mới đây, hiện tượng làng ung thư tại xã Thạch Sơn- Phú Thọ do sự ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước là các điển hình khác nữa về sự ô nhiễm cần được quan tâm giải quyết. Có rất nhiều phương pháp để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải công nghiệp, trong đó phương pháp kết tủa là kỹ thuật thường sử dụng nhất cho việc loại bỏ kim loại nặng [Cohen, 2005]. Tuy nhiên, những kết quả ứng dụng 1 từ thực tế của phương pháp kết tủa đã cho thấy, sự kết tủa làm giảm nồng độ kim loại hòa tan của nước thải xuống đạt mức cho phép thải nhưng giá thành xử lý cao, tạo ra một khối lượng lớn bùn thải có chứa kim loại nặng cần phải xử lý tiếp theo [Ping Zhou và cs, 1999; Brown và cs, 2000]. Mặt khác đối với những nước thải có chứa nồng độ kim loại thấp thì áp dụng phương pháp trên sẽ gặp khó khăn. Trong trường hợp đó, các phương pháp thay thế thường sử dụng để loại bỏ kim loại nặng như: trao đổi ion, điện phân hoặc chiết,...tỏ ra không kinh tế, hơn nữa kỹ thuật sử dụng phức tạp (thẩm thấu ngược) [Horacek và cs, 1994] hoặc là phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau. Từ các lý do đó, đòi hỏi phải tìm ra phương pháp xử lý mới và hữu hiệu loại bỏ kim loại nặng trong nước thải đồng thời phải thân thiện với môi trường. Quá trình phân hủy sinh học kị khí với việc tận dụng nguồn chất thải nông nghiệp như: rơm, rạ, xơ dừa, vỏ cây, than bùn, cơ chất sau trồng nấm,... được coi là cách tiếp cận đáng chú ý. Các phụ phẩm nông nghiệp này ít có giá trị kinh tế, số lượng lớn và cần phải xử lý. Nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu này thì cả hai vấn đề: môi trường và nông nghiệp được giải quyết, đồng thời tạo ra một thị trường mới cho các chất thải trong nông nghiệp. Nhiều nghiên cứu cho thấy SRB trong các cột phản ứng kị khí với cơ chất rắn có thể được sử dụng hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng. Đây là một trong các phương pháp sinh học có nhiều triển vọng cạnh tranh và là một xu hướng đã và đang được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước trên thế giới. Mặt khác sử dụng phương pháp này còn có thể thu hồi được kim loại sau khi xử lý cơ chất bằng axít. SRB có thể loại bỏ nhiều kim loại (Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Cd,...) làm trung hòa nước thải và làm giảm hàm lượng sunphat có trong nước thải [Dvorak và cs, 1992; Christensen và cs, 1996; Chang và cs, 2000; Hard và cs, 2003; Koydon, 2004]. 2 Ở nước ta, đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải chứa kim loại nặng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng loại bỏ kim loại nặng của SRB trong cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất: giá thể sau trồng nấm, xơ dừa, than bùn hầu như chưa được nghiên cứu. Do vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên khi sử dụng các loại cơ chất khác nhau”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu hiệu quả của một số loại cơ chất khác nhau đối với việc loại bỏ kim loại nặng trong cột phản ứng sinh học kị khí. Trên cơ sở đó, thiết lập các điều kiện để xây dựng hệ thống cột/bể phản ứng sinh học kị khí góp phần tìm ra biện pháp hữu hiệu loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Các nội dung nghiên cứu chính - Thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất sinh học khác nhau để loại bỏ kim loại nặng nhờ hoạt động của vi khuẩn khử sunphat. - Phân loại và xác định vi khuẩn có khả năng loại bỏ kim loại nặng bằng phương pháp sinh học phân tử. - Nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung bùn kị khí, phân bò lên hoạt động của cột phản ứng. - Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng của các cột phản ứng với các cơ chất khác nhau. - Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy lên khả năng loại bỏ kim loại nặng của các cột phản ứng. - Thử nghiệm xử lý nước thải công nghiệp có chứa kim loại nặng bằng cột phản ứng sinh học kị khí. Địa điểm thực hiện đề tài 3 - Trung tâm Sinh học Thực nghiệm, Viện Ứng dụng Công nghệ. - Bộ môn Vi sinh vật, Khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội. - Trung tâm Nghiên cứu Môi trường nước, Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc, Hàn Quốc. Tính mới của đề tài - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta nghiên cứu loại bỏ Cu, As khỏi nước thải bằng cột phản ứng sinh học kị khí chảy ngược với cơ chất sinh học dạng rắn và đã chứng minh As không gây ảnh hưởng tới hoạt động của cột phản ứng sinh học kị khí, góp phần đưa ra một biện pháp hiệu quả, an toàn, có thể thu hồi As, tiết kiệm diện tích xử lý cần thiết để xử lý As trong nước thải. - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta nghiên cứu sử dụng chất thải rắn nông nghiệp (giá thể sau trồng nấm, xơ dừa, than bùn) để thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí chảy ngược cho xử lý nước thải có chứa As, Cu, góp phần khẳng định ý nghĩa của việc tận dụng nguồn chất thải rắn nông nghiệp để làm sạch môi trường . - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta chứng minh hiệu quả của việc sử dụng giá thể sau trồng nấm để thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí để xử lý Cu, As trong nước thải, từ đó đề xuất sử dụng cơ chất này cho thiết kế, xây dựng các hệ thống xử lý nước thải chứa kim loại nặng ở qui mô lớn. Khả năng ứng dụng của đề tài - Kết quả của đề tài đã được ứng dụng để xử lý nước thải của Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất mỏ và luyện kim Thái Nguyên. Kết quả cho thấy, nước thải sau xử lý đạt TCVN (5945-1995) cho nước thải công nghiệp loại B. 4 - Kết quả của đề tài có thể phát triển để xây dựng các cột/bể phản ứng sinh học kị khí ở qui mô lớn hơn với cơ chất là chất thải nông nghiệp trong việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Phân loại nƣớc thải Việc phân loại nước thải theo nguồn gốc phát sinh ra chúng là cơ sở để lựa chọn biện pháp giải quyết và công nghệ xử lý. Theo nguồn gốc phát sinh có thể chia nước thải nói chung thành hai loại: nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. 1.1.1. Nƣớc thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải của các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan... tức là tất cả các loại nước thải sau quá trình sinh hoạt của con người. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền vững, dễ bị phân hủy sinh học (như cacbohydrat, protein, lipit...), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ...), vi sinh vật, chất rắn và mùi [Hoàng Kim Cơ và cs, 2001]. Chất bẩn vô cơ trong nước thải sinh hoạt gồm các chất khoáng, ion vô cơ. Nồng độ của các ion vô cơ trong nước thải có thể biến động trong phạm vi 300-3000 mg/L, trung bình là 500 mg/L. Tùy thuộc vào nhiều yếu tố mà thành phần nước thải ở các địa điểm khác nhau cũng khác nhau và thay đổi trong một ngày đêm. 1.1.2. Nƣớc thải công nghiệp Nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải,... Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất. Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm phát sinh một tỉ lệ lớn các chất thải loại so với các ngành công nghiệp khác. Nước thải của các xí nghiệp thuộc da ngoài chất hữu 6 cơ còn có kim loại nặng, sunphua. Nước thải của xí nghiệp ắc quy có nồng độ axít, chì cao... Lưu lượng nước thải sản xuất cũng phụ thuộc vào từng cơ sở sản xuất, thậm chí tại cùng một cơ sở sản xuất lượng nước thải cũng dao động rất lớn theo từng thời điểm sản xuất [Hoàng Kim Cơ và cs, 2001]. 1.2. Kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc 1.2.1. Kim loại nặng và sự chuyển hoá trong môi trƣờng nƣớc Kim loại nặng là các nguyên tố có sẵn trong tự nhiên: trong đá, đất, trầm tích, nước và cơ thể sống. Sự có mặt của các nguyên tố này trong môi trường chưa thể nói là môi trường bị ô nhiễm, khi nồng độ của các kim loại trong môi trường tăng lên một cách bất thường so với nồng độ nền tương ứng thì mới được coi là môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng. Kim loại nặng xuất hiện trong nước do hai nguồn cung cấp chính: thứ nhất là do sự di chuyển, giải thoát sinh hóa tự nhiên và các cân bằng giữa pha lỏng (nước) và pha rắn (bùn, đất đá) với bản chất của chúng trong các tầng, các đới và các vùng xác định, thứ hai là do các hoạt động của con người làm thay đổi cân bằng vốn có của tự nhiên [Trần Hồng Côn và cs, 2000]. Về nguồn tự nhiên, các khoáng vật chứa kim loại nặng bị hòa tan có thể đi ngay vào nước ngầm hoặc nước mặt, tùy thuộc vào sự phong hóa xảy ra trong tầng đất ngập nước hay trên bề mặt trái đất. Phần lớn các ion kim loại này sẽ bị thủy phân hoặc tái kết hợp với ion sunphua, phot phat, sunphat hoặc cacbonat... để trở về trạng thái ít tan, hoặc bị hấp phụ lên trên bề mặt các hạt chất rắn và lắng xuống các tầng đáy. Tại đây các quá trình sinh hóa yếm khí xảy ra sẽ làm một phần kim loại nặng tan trở lại nước ngầm. Một phần kim loại khác ở dạng tan hoặc do được tạo phức tan với các chất hữu cơ sẽ vẫn tồn tại trong nước và phát tán theo đường đi của nước. Sự cân bằng này đối với mỗi nguyên tố khác nhau rất khác nhau và chúng được quyết định bởi tính 7 chất lý hóa học của chính các kim loại nặng và bản chất của môi trường xung quanh chúng [Salomons và cs, 1995; Trần Hồng Côn và cs, 2000]. Sự tồn tại của các kim loại nặng trong nước ngầm gắn bó mật thiết với các quá trình xảy ra trong các tầng đất và sự cân bằng giữa hai pha đất đá và nước. Các cân bằng có thể được biểu thị như sau [Trần Hồng Côn và cs, 2000]: Dạng tan Các phức vô cơ hòa tan Các phức hữu cơ hòa tan Kim loại nặng Dạng rắn Các sản phẩm kết tủa và đồng kết tủa Các dạng hấp phụ Các hạt chất rắn Đối với nguồn gây ô nhiễm nhân tạo, người ta đã thống kê những nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng: nước rác thải sinh hoạt, nước của ngành công nghiệp khai khoáng, luyện kim đen, màu và các nhà máy sản xuất phân lân và xi măng, mạ điện, thuộc da, dệt,... [Nguyễn Khang và cs, 1997]. Đó là những nguồn có thể gây ô nhiễm trên một diện rộng. Bên cạnh đó phải kể đến các nguồn thải cục bộ từ các cơ sở sản xuất. Đối với nguồn nước thải chứa kim loại nặng; trừ một vài kim loại nặng có dạng tan tồn tại bền vững hơn trong môi trường nước tự nhiên, còn hầu hết chúng đều bị thủy phân hay tạo thành các dạng hợp chất ít tan và lắng xuống đáy ao hồ, cống, rãnh...[Trần Hồng Côn và cs, 2000]. Sự hoà tan của các kim loại nặng trong nước phụ thuộc vào đặc tính của kim loại đó: hoá trị, bán kính nguyên tử, mức độ hydrát hoá, khả năng kết 8