KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỎ

Thứ Hai, 02 Tháng Bảy 2012 11:14 SA

TS. Nguyễn Thúy Lan  TT MTCN- Viện KHCN Mỏ & Luyện kim

Nước thải mỏ phát sinh từ khu vực khai thác, bãi thải và chôn lấp chất thải, hồ thải quặng đuôi thường mang tính axit và mang hàm lượng lớn các kim loại hòa tan do đó gây ô nhiễm nguồn nước và rất độc hại đối với sinh vật. Gần đây, việc nghiên cứu sử dụng đất ngập nước (ĐNN) nhằm xử lý nước thải mỏ ô nhiễm đã thu hút được sự quan tâm chú ý của cộng đồng do biện pháp này tương đối rẻ tiền và có khả năng cải thiện hệ sinh thái khu vực (SMME, 1998).

Thành phần của ĐNN

Thành phần của ĐNN bao gồm nước, sinh vật và lớp nền với tỷ lệ giữa các thành phần đó khác nhau tùy thuộc vào ĐNN. Các yếu tố chính của một hệ thống ĐNN có ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước thải bao gồm (i) chế độ thủy văn và thành phần hóa-lý; (ii) lớp nền; và (iii) sinh vật (Brown và nkk, 2002).

1. Chế độ thủy văn và thành phần lý-hóa của ĐNN

Về cơ bản kim loại thường được giữ lại trong lớp nền của một hệ thống ĐNN khi nước thải axit mỏ chảy qua lớp nền đó. Tốc độ dòng chảy của một hệ thống ĐNN sẽ ảnh hưởng đến khả năng ô-xy hóa của vùng ĐNN, nếu tốc độ dòng chảy càng lớn thì hàm lượng ô-xy trong nước càng cao. Một số thông số lý-hóa học của tầng nước trong ĐNN như độ pH, tính ôxy hóa-khử, độ muối và sự có mặt của các chất vô cơ-hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong cơ chế loại bỏ kim loại hòa tan của quá trình hoạt động của một hệ thống ĐNN.

2.2. Lớp  nền

Lớp nền của ĐNN tự nhiên thường bao gồm đất hoặc trầm tích, bùn. Đất và trầm tích thường chứa các hạt khoáng và các mảnh vụn hữu cơ. Lớp đất/trầm tích này thường có tính khử, giàu chất hữu cơ và có độ pH trung tính. Các yếu tố này có vai trò làm tăng khả năng loại bỏ các kim loại hòa tan trong nước. Bùn là một hỗn hợp các loại xác thực vật đã một phần bị phân hủy, có khả năng lớn trong xử lý nước thải mỏ.

2.3. Sinh vật

Sinh vật trong ĐNN bao gồm vi sinh vật và động-thực vật. Loại vi sinh vật có khả năng xử lý nước mỏ được chú ý nhiều nhất là vi khuẩn khử sắt và vi khuẩn khử sulphate. Tất cả các loài thực vật đều có khả năng làm giảm hàm lượng kim loại trong nước thông qua quá trình hấp thụ trực tiếp kim loại. Kim loại cũng có thể được hấp thụ hoặc kết tủa trên các mô thực vật. Một số thực vật có thể chuyển hóa thành bùn, là một phần của lớp nền ĐNN sau này.  Thực vật cũng có vai trò trong quá trình xử lý nước thải mỏ, như làm giảm vận tốc dòng chảy, ổn định lớp nền của hệ thống ĐNN, cung cấp nguồn hữu cơ cho vi sinh vật (đặc biệt quan trọng đối với quá trình khử sulphate) v.v. Ngoài ra, thực vật còn mang lại mỹ quan cho khu vực ĐNN xử lý nước thải. Tuy nhiên nếu hàm lượng kim loại cần xử lý quá cao sẽ gây hại cho các loài động vật sống trong vùng ĐNN.

Các cơ chế loại bỏ kim loại trong ĐNN

Kim loại có thể bị loại khỏi môi trường nước thông qua quá trình chuyển hóa sang dạng khác và được giữ lại trong lớp nền hoặc trong lớp sinh vật của hệ thống ĐNN, sau đó sẽ dần dần được tích tụ trong hệ thống ĐNN. Các kim loại như Hg và Se có thể bị loại bỏ khỏi nước bằng quá trình hình thành các hợp chất bay hơi nhưng như vậy có nghĩa là việc loại bỏ chất ô nhiễm ở khu vực này lại làm ô nhiễm cho khu vực khác. Một số quá trình sau đây có khả năng loại bỏ kim loại hòa tan trong nước thải mỏ bằng sử dụng hệ thống ĐNN.

1- Quá trình lắng

Một trong những chức năng sinh thái của ĐNN có hệ thực vật phát triển là làm giảm tốc độ dòng chảy. Do đó thời gian lưu nước tăng làm cho các hạt khoáng kích thước lớn và kim loại bám trên các hạt đó lắng xuống trước khi theo dòng nước vận chuyển sang khu vực khác ở hạ nguồn. Điều kiện cơ bản cho các quá trình lắng kim loại là một lượng lớn kim loại bám trên các hạt khoáng với kích thước đủ lớn để lắng. Tốc độ lắng của các hạt khoáng khoáng tỷ lệ với bình phương đường kính của hạt. Kết tủa hydroxit sắt và hấp thụ lên các hạt khoáng là hai cơ chế quan trọng để kim loại hòa tan trong nước thải mỏ chuyển thành dạng rắn và được tích tụ lại trong ĐNN.

2. Quá trình hấp thụ

Lớp nền của ĐNN đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp thụ kim loại hòa tan. Kim loại hòa tan hấp thụ lên các hạt khoáng có kích thước lớn có khả năng lắng do vậy loại bỏ được các kim loại hòa tan. Trong cả hai trường hợp trên thì bản chất hóa học của hiện tượng hấp thụ giống nhau. Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Bề mặt hạt khoáng hoặc lớp nền có thể trung tính, mang điện dương hay âm. Do vậy kim loại mang điện dương (ví dụ Cu+2) luôn luôn bị hấp thụ mạnh ở môi trường có độ pH cao trong khi loại mang điện âm (ví dụ AsO4-3) thường bị hấp thụ mạnh ở pH thấp hơn.

3. Quá trình hấp thu sinh học

Thực vật trong ĐNN xuất hiện dưới nhiều dạng khác nhau. Các loại thực vật sống trôi nổi hấp thu kim loại và chất dinh dưỡng có trong nước còn các loại thực vật có rễ hấp thu kim loại và chất dinh dưỡng có trong trầm tích. Trên thực tế, các kim loại vết chủ yếu được hấp thụ qua bộ rễ thực vật. Với một khối lượng lớn nước thải mỏ thì việc xử lý bằng cách cho khối nước thải đi qua vùng rễ thực vật cũng không mang lại hiệu quả cao. Để quá trình hấp thụ kim loại lên thực vật có hiệu quả thì kim loại cần được tồn tại ở dạng dễ hấp thu sinh học. Trong một số trường hợp, kim loại hòa tan chỉ bị hấp thụ hoặc kết tủa lên bề mặt của các sinh vật sống.

4. Quá trình ôxy hóa và thủy phân

Trong nước thải axit mỏ mới hình thành, sắt thường ở trạng thái Fe+2. Khi gặp môi trường ôxy hóa, Fe+2 chuyển hóa thành Fe+3. Tốc độ phản ứng ôxy hóa này phụ thuộc vào một số yếu tố như độ pH, nhiệt độ và sự có mặt của vi khuẩn. Cũng tương tự như sắt, mangan cũng bị biến đổi trạng thái khi thay đổi pH và điều kiện ôxy hóa-khử. Nhôm cũng có thể bị thủy phân và kết tủa dưới dạng gibbsite [Al(OH)3]. Sự hình thành Fe và Mn ôxy-hydrôxit làm tăng khả năng hấp thụ của kim loại lên các ôxyhydrôxit đó hoặc các kim loại đồng kết tủa với chúng. Các kết tủa này sẽ dần dần lắng cặn và được tích tụ trong hệ thống ĐNN.

5. Quá trình khử sắt

Thông thường môi trường trầm tích của ĐNN theo thời gian sẽ trở nên yếm khí. Do vậy sau khi ôxyhydrôxit Fe và Mn lắng cặn, quá trình khử Fe sẽ diễn ra, giải phóng Fe và Mn ở dạng hòa tan trong nước và làm tăng độ pH nước. Kết quả này cũng thúc đẩy quá trình loại bỏ kim loại trong ĐNN.

Tài liệu tham khảo

Brown M., Barley B. and Wood H. (2002). Minewater treatment: Technology, Application and Policy. IWA Publishing, UK.

SMME (1998). Remediation of historical mine sites – Technical summaries and bibliography. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc. USA.

• Nghiên cứu sử dụng thực vật để xử lý một số kim loại nặng trong đất tại các vùng khai thác mỏ (02/07/2012)
• BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU – CƠ HỘI VÀ THÁCH THỨC CHO NGÀNH CÔNG NGHIỆP MỎ (02/07/2012)
• Khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên nước mặt, nước ngầm trong vùng khai thác khoáng sản rắn (25/09/2012)
• VẤN ĐỀ SẢN XUẤT SẠCH HƠN TRONG HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN QUẢNG NINH (02/07/2012)
• Nghiên cứu công nghệ xử lý nước nuôi trồng thủy sản bằng Nguyên liệu khoáng Diatomit Phú Yên (02/07/2012)