Tài liệu Nghiên cứu đánh giá hàm lượng các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị tại thái nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ---------------------- ĐÀO NHƯ QUỲNH Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG TRONG BÙN THẢI ĐÔ THỊ TẠI THÁI NGUYÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường Khoa : Khoa học môi trường Khóa học : 2014 – 2018 Thái Nguyên, năm 2018 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ---------------------- ĐÀO NHƯ QUỲNH Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG CÁC DẠNG TỒN TẠI CỦA KIM LOẠI NẶNG TRONG BÙN THẢI ĐÔ THỊ TẠI THÁI NGUYÊN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Khoa học môi trường Lớp : K46 – KHMT - N01 Khoa : Khoa học môi trường Khóa học : 2014 – 2018 Giảng viên hướng dẫn : TS. Đặng Thị Hồng Phương Thái Nguyên, năm 2018 i LỜI CẢM ƠN Thực tập tốt nghiệp là nhằm thực hiện tốt phương châm “Học đi đôi với hành, gắn lý thuyết với thực tiễn” của các trường đại học trong cả nước nói chung và trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên nói riêng. Đây là giai đoạn quan trọng giúp sinh viên củng cố lại kiến thức đã học trên ghế nhà trường, đồng thời nâng cao kỹ năng thực hành, vận dụng vào thực tế để giải quyết vấn đề cụ thể. Để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên cùng toàn thể các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các thầy cô giáo khoa Môi trường đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong suốt quá trình thực tập. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với cô giáo T.S Đặng Thị Hồng Phương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, dìu dắt em trong suốt quá trình thực hiện đề tài và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành tốt khóa luận này. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân, những người đã luôn động viên, tạo điều kiện góp ý và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện khóa luận. Em xin chúc toàn thể các Thầy, Cô giáo luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và thành công trong sự nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng Sinh viên Đào Như Quỳnh năm 2018 ii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Hàm lượng chất dinh dưỡng trong bùn thải ..................................... 7 Bảng 3.1. Vị trí lấy mẫu bùn thải .................................................................... 26 Bảng 4.1. Hàm lượng một số KLN trong bùn thải đô thị Thái Nguyên ......... 35 iii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tách KLN từ bùn thải .......................................................18 Hình 3.1. Sơ đồ chiết phân tích các dạng kim loại nặng trong mẫu bùn của Tessier đã cải tiến .............................................................................................................28 Hình 4.1. Hàm lượng Cu tổng số trong các mẫu bùn thải ........................................37 Hình 4.2. Hàm lượng Zn tổng số trong các mẫu bùn thải .........................................38 Hình 4.3. Hàm lượng Pb tổng số trong các mẫu bùn thải .........................................39 Hình 4.4. Hàm lượng Cr tổng số trong các mẫu bùn thải .........................................40 Hình 4.5. Hàm lượng Cd tổng số trong các mẫu bùn thải ........................................40 Hình 4.6. Hàm lượng As tổng số trong các mẫu bùn thải .........................................41 Hình 4.7. Hàm lượng Hg tổng số trong các mẫu bùn thải ........................................42 Hình 4.8. Các dạng KLN trong bùn thải tại trạm XLNT Sông Công .......................42 Hình 4.9. Các dạng KLN trong bùn cống khu vực đường LNQ ...............................43 Hình 4.10. Các dạng KLN trong bùn nạo vét Hồ Xương Rồng................................44 Hình 4.11. Các dạng KLN trong bùn Sông Cầu .......................................................44 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa của từ KCN Khu công nghiệp KLN Kim loại nặng QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCCP Tiêu chuẩn cho phép VSV Vi sinh vật XLNT Xử lý nước thải v MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v PHẦN 1. MỞ ĐẦU ....................................................................................................1 1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................1 1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài .............................................................................2 1.2.1. Mục tiêu ............................................................................................................2 1.2.2. Yêu cầu ..............................................................................................................2 1.3. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................................2 PHẦN 2.TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..........................................................................3 2.1. Khái niệm, phân loại và tính chất của bùn thải ....................................................3 2.1.1. Khái niệm bùn thải ............................................................................................3 2.1.2. Phân loại ............................................................................................................4 2.1.3. Nguồn gốc, tính chất và đặc điểm của bùn thải ................................................5 2.2. Khái quát ô nhiễm kim loại nặng trong bùn thải..................................................8 2.2.1. Nguồn phát sinh KLN trong bùn thải................................................................9 2.2.2. Các dạng tồn tại của kim loại nặng ...................................................................9 2.2.3. Ảnh hưởng của KLN đến khả năng tái chế bùn thải .......................................11 2.3. Các phương pháp xử lý bùn thải ........................................................................15 2.3.1. Xử lý bằng thiêu đốt ........................................................................................15 2.3.2. Xử lý bằng phương pháp chôn lấp ..................................................................15 2.3.3. Xử lý bằng phương pháp ủ sinh học ...............................................................16 2.3.4. Xử lý bằng phương pháp thu hồi tái chế .........................................................17 2.4. Giới thiệu về các phương pháp loại bỏ KLN trong bùn thải đô thị ...................17 2.4.1. Loại bỏ các KLN bằng dung dịch axit ............................................................17 vi 2.4.2. Loại bỏ KLN bằng các tác nhân tạo phức .......................................................20 2.5. Hiện trạng quản lý và tái sử dụng bùn thải tại Việt Nam...................................21 2.5.1. Quản lý bùn thải tại Việt Nam ........................................................................21 2.5.2. Tình hình nghiên cứu tái chế bùn thải ở Việt Nam .........................................22 PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........25 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................25 3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành .........................................................................25 3.3. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................25 3.3.1. Điều kiện tự nhiên – kinh tế, xã hội của thành phố Thái Nguyên ..................25 3.3.2. Đánh giá hàm lượng các kim loại nặng trong bùn thải đô thị Thái Nguyên ...25 3.3.3. Đánh giá các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị Thái Nguyên ..25 3.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................25 3.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu .........................................................................25 3.4.2. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu .........................................................25 3.4.3. Phương pháp thực nghiệm ..............................................................................26 3.4.4 Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................30 PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .....................................31 4.1. Điều kiện tự nhiên – kinh tế, xã hội của thành phố Thái Nguyên .....................31 4.1.1. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................31 4.1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội ................................................................................33 4.2. Đánh giá hàm lượng tổng số của các KLN trong bùn thải đô thị Thái Nguyên .....35 4.2.1. Hàm lượng Cu tổng số ....................................................................................36 4.2.2. Hàm lượng Zn tổng số ....................................................................................38 4.2.3. Hàm lượng Pb tổng số .....................................................................................39 4.2.4. Hàm lượng Cr tổng số .....................................................................................39 4.2.5. Hàm lượng Cd tổng số ....................................................................................40 4.2.6. Hàm lượng As tổng số ....................................................................................41 4.2.7. Hàm lượng Hg tổng số ....................................................................................42 4.3. Đánh giá các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị Thái Nguyên .....42 vii 4.3.1. Đánh giá các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải tại Trạm XLNT Sông Công ...........................................................................................................42 4.3.2. Đánh giá các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải tại khu vực đường Lương Ngọc Quyến .............................................................................................43 4.3.3. Đánh giá các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn nạo vét hồ Xương Rồng ....43 PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................45 5.1.Kết luận ...............................................................................................................45 5.2. Kiến nghị ............................................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................46 1 PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Trong các loại hình chất thải đô thị, bùn thải đô thị hiện được các nhà quản lý môi trường ngày càng quan tâm. Bùn thải đô thị phát sinh chủ yếu từ các hoạt động xử lý nước thải và nạo vét hệ thống thoát nước đô thị. Bùn thải đô thị có hàm lượng chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho khá cao (Nguyễn Việt Anh, 2015) [0]. Mặt khác, quá trình hình thành bùn thải cũng tích lũy nhiều chất gây ô nhiễm như kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh. Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt là ở các thành phố lớn. Cùng với đó số lượng các trạm xử lý nước thải ở các đô thị sẽ ngày càng tăng trong thời gian tới. Trong thơi gian gần, vấn đề xử lý bùn thải phát sinh từ các trạm xử lý nước thải đô thị sẽ trở thành mối quan tâm lớn. Bùn thải từ các quá trình xử lý nước thải thường có độ ẩm cao nên khó vận chuyển. Hàm lượng chất hữu cơ cao, hàm lượng một số kim loại nặng (KLN) khá cao gây hôi thối và làm ô nhiễm môi trường. Vì vậy, việc sử dụng bùn cặn chưa qua xử lý làm phân bón hay thải bỏ ngay ra môi trường là không hợp lý và không an toàn. Cần phải xử lý bùn trước khi thải bỏ hoặc tái sử dụng để ổn định bùn, giảm mùi khó chịu và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Để có thể nghiên cứu tái sử dụng bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải bước đầu cần phải đánh giá được chất lượng bùn thải, đặc biệt là hàm lượng kim loại nặng trong bùn thải. Xuất phát từ những thực tiễn đó, đề tài “Nghiên cứu đánh giá hàm lượng các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị tại Thái Nguyên” được thực hiện. Hy vọng kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nhỏ vào việc đánh giá, xử lý và tận dụng bùn thải từ các hệ thống thoát nước thải sinh hoạt và hệ thống xử lý nước thải, cũng như các loại bùn thải đô thị nói chung. 2 1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài 1.2.1. Mục tiêu - Đánh giá hàm lượng tổng số và các dạng tồn tại của kim loại nặng - Đề xuất các giải pháp xử lý bùn thải đạt hiệu quả cao nhằm giảm thiểu chi phí và việc gây ô nhiễm môi trường. 1.2.2. Yêu cầu - Số liệu thu thập được phải khách quan, trung thực, chính xác. - Đánh giá được hiện trạng ô nhiễm kim loại nặng và các dạng tồn tại của kim loại nặng trong bùn thải đô thị tại Thành phố Thái Nguyên 1.3. Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa trong khoa học + Nâng cao kiến thức, kỹ năng và rút kinh nghiệm thực tế phục vụ cho công tác sau này. + Vận dụng và phát huy được những kiến thức học tập vào nghiên cứu. - Ý nghĩa trong thực tiễn + Kết quả đánh giá sẽ góp phần nâng cao nhận thức, hiểu biết về bùn thải và nhận thức về bảo vệ môi trường. + Xác định được các dạng tồn tại kim loại nặng trong bùn thải đô thị tại Thái Nguyên. + Đưa ra các giải pháp xử lý, tái sử dụng bùn thải một cách hiệu quả nhằm bảo vệ môi trường. 3 PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Khái niệm, phân loại và tính chất của bùn thải 2.1.1. Khái niệm bùn thải Bùn thải là hỗn hợp nhớt, bán rắn bao gồm chất hữu có chứa vi sinh vật độc hại, hóa chất hữu cơ tổng hợp. Bùn có thể ở dạng rắn, hỗn hợp bán rắn, lỏng tùy theo công nghệ quy trình xử lý. Hỗn hợp vật chất này thường chứa một lượng đáng kể nước giữa các khoảng trống của các hạt rắn, có thành phần đồng nhất trong toàn bộ thể tích, có kích thước hạt nhỏ hơn 2mm và có độ ẩm lớn hơn 70%. US-EPA (Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ) định nghĩa bùn thải như sản phẩm cuối cùng được tạo ra từ quá trình xử lý nước thải dân dụng và nước thải công nghiệp, từ nhà máy xử lý nước thải ở dạng hỗn hợp bán rắn. Thuật ngữ này đôi khi cũng được sử dụng như một thuật ngữ chung cho chất rắn được tách biệt với huyền phù trong nước, hỗn hợp vật chất này thường chứa một lượng đáng kể nước giữa các khoảng trống của các hạt rắn. Các quá trình xử lý nước thải dẫn đến việc tách các chất gây ô nhiễm và chuyển chúng sang pha có thể tích nhỏ hơn (bùn). Như vậy, sau quá trình xử lý và làm sạch nước thải, nước sạch có thể được tái sử dụng lại còn bùn tạo thành sẽ được thải đi. Việc xử lý và thải bùn rất khó do lượng bùn lớn, thành phần khác nhau, độ ẩm cao và bùn rất khó lọc. Giá thành xử lý bùn thải chiếm khoảng 25-50% tổng giá thành quản lý chất thải. Khái niệm bùn thải cũng đã được xác định trong các văn bản pháp luật Việt Nam theo quy chuẩn Kỹ thuật quốc gia về ngưỡng nguy hại đối với bùn thải từ quá trình xử lý nước (QCVN 50:2013/BTNMT). Bùn từ hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đô thị là dư lượng chất lỏng, đặc hay dạng sệt được tạo ra do quá trình vận chuyển và chuyển hóa nước thải trong các cống rãnh thoát nước, là hỗn hợp các chất hữu cơ và vô cơ bao gồm tất cả các loại bùn thu nhận từ đường ống thoát nước đô thị, được xem như sản phẩm phụ cần xử lý của quá trình. Bùn bao gồm chủ yếu là nước, khoáng chất và chất hữu cơ. 4 Bùn thải có thể chứa các chất dễ bay hơi, sinh vật gây bệnh, vi khuẩn, kim loại nặng, các ion vô cơ cùng với hóa chất độc hại từ chất thải công nghiệp, hóa chất gia dụng và thuốc trừ sâu. Lượng bùn thải tăng theo mức độ tăng dân số và tăng trưởng theo sản xuất. Số lượng bùn thải thường rất lớn và gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý tốt. 2.1.2. Phân loại Bùn được phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh và thành phần bùn. - Phân loại theo nguồn gốc, gồm có + Bùn thải từ trạm/ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt; + Bùn thải từ trạm/ nhà máy xử lý nước thải công nghiệp; + Bùn từ hệ thống thoát nước: bùn cống rãnh, kênh rạch, nạo vét sông hồ; + Bùn hố ga, bể phốt; + Bùn từ các công trường xây dựng. - Phân loại theo thành phần: Thành phần bùn phụ thuộc vào bản chất ô nhiễm ban đầu của nước và phương pháp làm sạch: xử lý vật lý, hóa lý, sinh học [12]. Cụ thể: + Bùn hữu cơ ưa nước: Đó là loại phổ biến nhất, khó khăn của việc làm khô bùn là do sự có mặt của phần lớn các chất keo ưa nước. Người ta xếp trong loại này tất cả các bùn thải xử lý sinh học nước thải, mà hàm lượng chất bay hơi có thể đạt đến 90% toàn bộ chất khô (nước thải của công nghiệp thực phẩm, hóa hữu cơ). + Bùn vô cơ ưa nước: Các bùn này chứa hydroxyt kim loại tạo thành từ phương pháp hóa lý bằng cách làm kết tủa ion kim loại có trong nước xử lý (Al, Fe, Zn, Cr) hoặc do sử dụng kết bông vô cơ (muối sắt, muối nhôm). + Bùn chứa dầu: Trong bùn có một lượng dầu nhỏ hoặc mỡ khoáng chất (hoặc động vật). Các chất này ở dạng nhũ hoặc hấp thụ các phần tử bùn ưa nước. Một phần bùn sinh học cũng có thể có mặt trong trường hợp xử lý cuối cùng bằng bùn hoạt tính (ví dụ như nước thải của nhà máy lọc dầu). + Bùn vô cơ kị nước: Các bùn này được đặc trưng bằng một tỷ lệ trội hơn các chất đặc biệt có hàm lượng giữ nước nhỏ (cát, bùn phù sa, xỉ, vẩy rèn, muối đã kết tinh). 5 + Bùn vô cơ ưa nước - kị nước: Các bùn này chủ yếu bao gồm các chất kị nước chứa vừa đủ chất ưa nước gây ảnh hưởng bất lợi đến việc làm khô bùn. Các chất ưa nước thường là các hydroxyt kim loại (chất kết tụ). + Bùn có sợi: Loại bùn này thường rất dễ làm khô trừ khi việc thu hồi bùn làm cho các sợ chuyển sang loại ưa nước do sự có mặt hydroxyt hoặc bùn sinh học. 2.1.3. Nguồn gốc, tính chất và đặc điểm của bùn thải 2.1.3.1. Nguồn gốc của bùn thải - Bùn thải từ hệ thống thoát nước, kênh rạch: Thành phần và đặc tính của bùn chủ yếu là chất hữu cơ (70-82%) và một số kim loại nặng với hàm lượng cao. Lượng bùn thải khổng lồ này đang có xu hướng tăng lên và hiện nay ở nước ta vẫn chưa có nơi nào tìm cách giải quyết được. - Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải đô thị: Nước thải đô thị bao gồm cả nước thải hộ gia đình, nước thải công nghiệp,... Như vậy, nước thải được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người. Đặc trưng nước thải đi thị là: hàm lượng chất hữu cơ cao (55-65% tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật trong đó có cả vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong nước thải. Nước thải đô thị giàu chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, là nguồn gốc để các loại vi khuẩn (bao gồm cả vi khuẩn gây bệnh) phát triển, là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước. Nước thải sinh hoạt đô thị thông qua các mạng lưới cống thoát nước, được chuyển tới các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và các hệ thống sông thoát nước của thành phố. Bùn sinh ra từ quá trình này là kết quả của các vật chất được nước thải mang lắng đọng trong các hệ thống cống thoát và hoạt động của các vi sinh vật trong các hệ thống này, biến cát thành bùn. Bùn này thường bị ô nhiễm với nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ độc hại, tùy thuộc vào các nguồn thải đầy vào, do nồng độ của các vật liệu trong các chất rắn còn lại là kết quả của quá trình xử lý nước thải. - Bùn thải từ hố ga, bể phốt; - Bùn thải nuôi trồng thủy hải sản (tôm): Là nguồn chất lắng đọng xuống ao nuôi tôm, là nguồn thải rất nguy hiểm cho vấn đề làn truyền dịch bệnh và ô nhiễm 6 môi trường. Sau 3-4 tháng nuôi, lớp bùn lắng này trên các ao, đầm nuôi tôm có thể dày đến 20-30 cm phủ khắp tầng đáy diện tích nuôi tôm. Một số kết quả nghiên cứu thành phần bùn thải nuôi tôm đã cho thấy thành phần bùn hết sức phức tạp, các chất tồn dư và vật tư hóa chất sử dụng trong quá trình nuôi tôm như vôi, hóa chất, lưu huỳnh, lắng đọng bùn phèn trong đất chứa các độc tố môi trường, những vi khuẩn gây bệnh trong nuôi tôm, tảo lục và nấm bệnh và đặc biệt là sản phẩm phân hủy của quá trình yếm khí như NH3, H2S, CH4... là các tác nhân vô cùng nguy hiểm cho con tôm. 2.1.3.2. Tính chất, đặc điểm của bùn thải Theo nghiên cứu có ít nhất 60.000 độc chất và chất hóa học đã được tìm thấy trong bùn thải và nước thải. Các nhà nghiên cứu của Hiệp hội kỹ sư dân dụng Mỹ đã xác định rằng bùn thải có chứa các độc tố sau đây: - Polychlorinated biphenyls (PCBs); - Thuốc trừ sâu chứa clo bao gồm: DDT, dieldrin, aldril, endril, chlordane, heptachlor, lindane, mirex, kepne, 2,4,5-T, 2,4-D. - Các hợp chất clo hóa như dioxin - Các hợp chất vòng thơm; - Kim loại nặng: As, Cd, Cr, Pb, Hg; - Vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh, giun ký sinh và nấm; - Các độc tố khác như: amiang, sản phẩm dầu mỏ và các dung môi công nghiệp. Năm 2009, US-EPA công bố báo cáo quốc gia về nghiên cứu bùn nước thải một số đặc điểm nổi bật của bùn thải như sau: - Chất dinh dưỡng: Chất dinh dưỡng có trong bùn như nito, photpho và Kali là rất cần thiết cho sự tăng trưởng của thực vật. Hàm lượng dinh dưỡng cao có thể dẫn đến ô nhiễm môi trường nước ngầm và nước mặt. Hàm lượng chất dinh dưỡng thường có trong bùn thải tại một số nước trên thế giới được đưa ra trong bảng 2.1. 7 Bảng 1.1. Hàm lượng chất dinh dưỡng trong bùn thải Tổng chất dinh dưỡng Nguồn bùn thải N P K WWPT Michigan (USA) 3,5 2,2 0,5 WWPT New York (USA) 2,9 1,2 0,19 WWPT Hawaii’s (USA) 3,8 0,6 0,06 WWPT Sant-Peteresburg (Nga) 4,3 2,4 0,4 WWPT Matxcova (Nga) 2,1-2,8 1,6-2,9 0,3-0,5 WWPT Vladimir (Nga) 1,57-1,95 1,35-2,25 0,2-0,45 WWPT Kazan (Nga) 1,7-2,6 0,12-1,2 0,14-0,36 WWPT Sochi (Nga) 3,4 1,9 0,3 WWPT Sipraya (Thái Lan) 3,43 0,11 0,08 WWPT Triunfo (Brazil) 2,3 0,69 0,11 WWPT Laissa (Hy Lạp) 1,8-2,8 1,2-1,65 Không xác định (Nguồn: Metcalf, Eddy, 2003[12]) Thông thường hàm lượng dinh dưỡng trong bùn thấp hơn so với phân bón bán trên thị trường đặc biệt là K thường ít hơn 0,5%. - Tổng hàm lượng chất rắn (TS): bao gồm chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan, thường được biểu diễn theo phần trăm của tổng số chất rắn có trong bùn thải. Hàm lượng TS phụ thuộc vào loại bùn thải. Thông thường, bùn thải dạng lỏng có hàm lượng chất rắn từ 2-12% chất rắn, trong khi bùn khử dạng nước có hàm lượng chất rắn từ 12-40% chất rắn (bao gồm cả các chất phụ gia hóa học). Bùn thải khô hoặc ủ thường có hàm lượng chất rắn trên 50%. - Hàm lượng chất rắn dễ bay hơi: Đây là các hợp chất hữu cơ bị bay hơi khi bùn bị nung nóng đến 5500C trong điều kiện oxy hóa, thường được thể hiện theo phần trăm của chất rắn dễ bay hơi có trong bùn thải. Hầu hết các loại bùn thải không ổn định chứa 75-85% chất rắn dễ bay hơi trên một trọng lượng khô. 8 - pH: pH ảnh hưởng đến sự hấp thụ của kim loại nặng trong đất và cây trồng. Bùn có pH thấp (<6,5) thúc đẩy sự hấp thị các kim loại nặng, trong khi pH cao (>11) lại giết chết vi khuẩn, kết hớp các loại đất có pH trung tính hoặc cao có thể ức chế sự hấp thụ của kim loại nặng qua đất. - Chất hữu cơ (OM): Hàm lượng chác chất hữu cơ trong bùn thải khá cáo cho nên có thể sử dụng để cải thiên tính chất vật lý của đất (ví dụ tăng khả năng giữ nước). Hàm lượng chất hữu cơ tăng làm giảm dung trọng, tăng cường khả năng cầm giữ nước và thúc đẩy sự thấm nước lớn hơn. - Kim loại: Thành phần các kim loại nặng rất dễ hấp thụ trên bề mặt các chất lơ lửng dạng hữu cơ và vô cơ. Khi các chất này lắng xuống tạo thành bùn thì các kim loại nặng cũng sẽ bị tích tụ trong bùn. Một số kim loại nặng (Fe, Zn, Mn, Cu, Mo, Co,...) là các nguyên tố vi lượng không thể thiếu đối với các loại sinh vật trong quá trình trao đổi chất, tuy nhiên một số kim loại khác (Hg, Pb) lại là chất độc. Các kim loại khác như Ca, Si, Ni, Se, Al cần thiết cho quá trình đồng hóa của cây nhưng lại không cần thiết cho các sinh vật khác [5]. 2.2. Khái quát ô nhiễm kim loại nặng trong bùn thải Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm 3 và thông thường chỉ những kim loại hoặc các á kim liên quan đến sự ô nhiễm và độc hại. Tuy nhiên, một số kim loại cần thiết cho sinh vật ở nồng độ thấp [5], chúng được xem là nguyên tố vi lượng. KLN 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,...). Tỷ trọng của những kim loại này thông thường lớn hơn 5g/cm3[7]. KLN gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Trong danh sách các chất thải độc hại thì chì, thủy ngân, asen (thạch tín) và cadimi đứng hàng thứ nhất, nhì, ba và sáu theo xếp loại dược tính của Hoa Kỳ [5]. 9 2.2.1. Nguồn phát sinh KLN trong bùn thải Kim loại nặng được coi là tác nhân gây ô nhiễm điển hình nhất đại diện cho nhóm tác nhân ô nhiễm có nguồn gốc vô cơ trong bùn thải đô thị. KLN được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như mạ, dệt nhuộm, sơn, thuộc da,...v.v. KLN trong nước thải sinh hoạt thường có nguồn gốc từ chất giặt tẩy, phân hay sự hòa tan từ hệ thống đường ống cấp nước sinh hoạt và thoát nước thải. Theo hệ thống thoát nước, KLN sẽ vận chuyển và tích tụ lại trong bùn thải tại mạng lưới thoát nước hay trong bùn thải tại các trạm XLNT [4] Tại các đô thị, việc quản lý nguồn nước thải công nghiệp còn thiếu chặt chẽ, một lượng lớn nước thải sản xuất chưa được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để sẽ được thải chung vào hệ thống thoát nước thải sinh hoạt đô thị là nguyên nhân phát sinh KLN với hàm lượng cao trong bùn thải. Theo nghiên cứu tổng hợp của tác giả Soermea và cs (2002) [13], nguồn phát sinh Cu trong nước thải sinh hoạt lớn nhất thông qua hệ thống vòi, van được làm bằng kim loại Cu trong ngành nước. Nguồn phát thải Zn lớn nhất xuất phát từ hoạt động rửa xe, Zn cũng bị rửa trôi từ đường ống cấp nước, thoát nước sử dụng ống kẽm và từ các mái nhà lợp tôn tráng kẽm. Bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải đô thị có thành phần phức tạp bao gồm: Các hợp chất hữu cơ; Các chất dinh dưỡng (N, P, K,...); Các loại VSV; Các KLN (As, Cd, Cr, Pb, Hg,...); Một số loại nguyên tố vi lượng (Cu, Zn, Ni,...); Các nhóm chất khác. 2.2.2. Các dạng tồn tại của kim loại nặng Theo Tessier và các cộng sự [14], KLN trong bùn được chia thành 5 dạng chính: Dạng trao đổi: KLN trong dạng này liên kết với bùn bằng lực hấp phụ yếu trên các hạt. Sự thay đổi lực ion của nước sẽ ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hoặc giải hấp của các kim loại này dẫn đến sự giải phóng hoặc tích lũy kim loại tại bề mặt tiếp xúc của nước và bùn (trầm tích). 10 Dạng liên kết với cacbonate: Các kim loại liên kết với cacbonat rất dễ bị ảnh hưởng với sự thay đổi pH, khi pH giảm thì kim loại tồn tại ở dạng này sẽ bị giải phóng. Dạng liên kết với Fe - Mn oxit: Ở dạng này kim loại được hấp thụ trên bề mặt của Fe -Mn oxit hydroxit và không bền vững trong điều kiện khử, bời vì trong điều kiện trạng thái oxi hóa khử của sắt và manga sẽ bị thay đổi, dẫn đến các kim loại trong bùn (trầm tích) sẽ được giải phóng vào pha nước. Dạng liên kết với các hợp chất hữu cơ: Các kim loại ở dạng liên kết hữu cơ sẽ không bền vững trong điều kiện oxi hóa, khi bị oxi hóa các chất hữu cơ sẽ phân hủy và các kim loại sẽ được giải phóng vào pha nước. Dạng cặn dư: Phần này chứa các muối khoáng tồn tại trong tự nhiên có thể giữ các vết kim loại trong nền cấu trúc của chúng, do vậy khi kim loại tồn tại trong phân đoạn này sẽ không thể hòa tan vào trong nước trong các điều kiện nêu trên. Trong 5 dạng trên, mức độ dễ hòa tan và cột nước xếp theo thứ tự từ các dạng sau: Trao đổi→ Liên kết với cacbonate → Liên kết với Fe - Mn oxit→ Liên kết với chất hữu cơ → Cặn dư. Như vậy, KLN tồn tại trong bùn thải chủ yếu dưới các dạng như: KLN liên kết với hợp chất hữu cơ, cacbonat kim loại nặng, KLN liên kết với FeMnOx, KLN ở dạng hòa tan vào nước và KLN ở dạng cặn rắn còn lại. Do tính chất vật lý và hóa học khác nhau của các KLN mà tỷ lệ thành phần các dạng tồn tại của KLN trong bùn thải có sự khác biệt. Theo Võ Hoàng Nhâm (1994) [5] Zn là kim loại có khả năng tạo phức tốt nhất với các phối từ hữu cơ nên dạng liên kết các hợp chất hữu cơ chiếm ưu thế. Cr tồn tại phần lớn ở dạng cặn, tiếp đến là dạng liên kết với hữu cơ, cacbonat kim loại nặng và dạng có khả năng chuyển vào pha nước chiếm tỷ lệ nhỏ nhất khoảng 1%. Cu tồn tại chủ yếu dưới dạng sunfua, cacbonat, liên kết với hợp chất hữu cơ và lượng nhỏ nhất là có khả năng chuyển vào pha nước. Dạng Pb cacbonat chiếm tỷ lệ cao nhất, tiếp theo là dạng liên kết hữu cơ, sun phua và dạng có khả năng chuyển vào pha nước chiếm tỷ lệ nhỏ nhất (Võ Hoàng Nhâm, 1994). Do sự tồn tại của các KLN trong bùn thải là khác nhau nên khả năng gây độc của chúng đối với môi trường là khác nhau. KLN tồn tại với nồng độ cao trong bùn 11 thải không những gây độc với hệ sinh thái thủy sinh, hạn chế khả năng tái sử dụng mà còn tác động đến sức khỏe con người nếu bùn thải không được xử lý đúng cách. Tính độc của mỗi KLN đối với cơ thể con người thể hiện đặc điểm riêng biệt của từng KLN. Cd dạng hơi và dạng các hợp chất của Cd rất độc đối với con người. Khi đi vào cơ thể, Cd tích tụ chủ yếu ở gan và thận, gây ung thư, giòn xương và suy thận (Jan và cs, 2007) [10]. Cr ở dạng hợp chất Cr (VI) rất độc với cơ thể người. Cu ở dạng ion Cu2+ gây độc khá mạnh đối với thực vật và vi khuẩn. Mặc dù Cu là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể nhưng khi nhiễm độc Cu mãn tính gây ra các triệu chứng như: dị ứng, tổn thương gan và khó thở. Zn là kim loại mang đầy đủ tính chất của một kim loại hoạt động mạnh. Một phần nhỏ Zn là thành phần vi lượng quan trọng đối với cơ thể người. Tuy nhiên với hàm lượng Zn cao có thể gây độc, kích ứng màng nhầy và gây sốt thận (Jan và cs, 2007). Như vậy, KLN tồn tại trong bùn thải với một số dạng hợp chất nhất định. Tỷ lệ thành phần các dạng KLN phục thuộc vào đặc tính của mỗi một KLN, đặc trưng nguồn nước thải và sự quản lý nguồn nước thải, bùn thải tại mỗi khu vực. Ở một lượng nhỏ, KLN là thành phần vi lượng không thể thiếu đối với thực vật, động vật và con người. Tuy nhiên, phơi nhiễm KLN ở hàm lượng cao gây ra những tác hại lớn đối với sức khỏe con người. Bởi vậy, KLN là yếu tố cần được xem xét thận trọng trong quá trình xử lý tái sử dụng bùn thải. 2.2.3. Ảnh hưởng của KLN đến khả năng tái chế bùn thải Bùn thải từ nhà máy xử lý nước thải đô thị chứa một lượng cao các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng của thực vật như nitơ, photpho và các chất hữu cơ. Khi được bón lên đất, bùn có thể làm tăng độ phì nhiêu của đất, làm đất tơi xốp và duy trì độ ẩm cho đất. Tuy nhiên, trong bùn còn chứa những thành phần nguy hiểm và độc hại, đặc biệt là KLN. Khi sử dụng bùn thải cho mục đích nông nghiệp với một diện tích đất lớn và trong thời gian dài, KLN có thể tích lũy ở trong đất và ảnh hưởng đến động vật và thực vật, qua đó đe dọa đến sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn. Các KLN không tự phân hủy sinh học và chúng tích lũy trong môi trường nên đây là một hạn chế lớn đến việc tái sử dụng bùn thải. Vì vậy,