Khả năng ứng dụng đất ngập nước trong xử lý nước thải ngành mỏ
1. Giới thiệu chung
Biện pháp xử lý nước thải mỏ phổ biến nhất là làm tăng độ pH của nước thải bằng việc sử dụng hóa chất soda NaOH và Na 2CO 3, vôi (CaO, Ca(OH) 2), đá vôi (CaCO 3) hoặc ammonia (NH 3). Biện pháp này nói chung là hiệu quả nhưng tốn kém và cần phải được duy trì thường xuyên. Thêm vào đó, biện pháp xử lý này sinh ra một khối lượng lớn bùn thải chứa hàm lượng cao các kim loại và về lâu dài cần đến bãi chứa lớn. Biện pháp này cũng làm tăng độ pH của thủy vực hạ nguồn nơi xử lý nước thải và có thể làm ảnh hưởng đến đời sống của sinh vật trong thủy vực.
Gần đây, việc sử dụng đất ngập nước (ĐNN) để xử lý nước ô nhiễm đã nhận được nhiều quan tâm trên thế giới do biện pháp này tương đối rẻ tiền và có khả năng cải thiện tình trạng của hệ sinh thái khu vực. Hiện nay, trên thế giới có nhiều định nghĩa khác nhau về đất ngập nước tùy theo mỗi quốc gia và mục đích quản lý, sử dụng chúng. Ở Việt Nam, định nghĩa về ĐNN được lấy chính thức theo Công ước Ramsar quy định: "ĐNN là những vùng đầm lầy, than bùn hoặc vùng nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, thường xuyên hay tạm thời, có nước chảy hay nước tù, là nước ngọt, nước lợ hay nước biển, kể cả những vùng nước biển có độ sâu không quá 6 m khi triều thấp". Có nhiều loại đất ngập nước tự nhiên và nhân tạo đã được sử dụng để xử lý nước mỏ ô nhiễm kim loại ở nhiều mức độ khác nhau.
2. Ảnh hưởng của các nhân tố hình thành ĐNN lên quá trình xử lý nước thải mỏ
Thành phần của ĐNN bao gồm nước, sinh vật và lớp nền với các tỷ lệ giữa các thành phần đó thay đổi khác nhau.
2.1. Chế độ thủy văn và tính chất hóa học của nước
Để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mỏ và các quá trình loại bỏ kim loại xảy ra trong ĐNN thì phải có kiến thức về vận chuyển của nước và hiểu về các quá trình sinh-địa-hóa trong ĐNN. Về cơ bản, kim loại thường nằm trong lớp nền của ĐNN, do vậy được giữ lại trong ĐNN. Khi dòng nước axit mỏ chảy qua lớp nền ĐNN thì kim loại bị hấp thu lại. Vận tốc dòng chảy của ĐNN sẽ ảnh hưởng đến điều kiện ô-xy hóa của ĐNN, nếu tốc độ càng tăng thì càng làm tăng hàm lượng ô-xy có trong nước. Một số thông số lý - hóa học của nước bao gồm: độ pH, điều kiện ô-xy hóa khử, độ muối, sự có mặt của các chất vô cơ - hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong cơ chế loại bỏ kim loại xảy ra trong quá trình hoạt động của ĐNN.
2.2. Lớp nền
Lớp nền của ĐNN tự nhiên thường bao gồm đất hoặc trầm tích hay bùn. Đất và trầm tích thường bao gồm các hạt khoáng và các mảnh vụn hữu cơ. Lớp đất/trầm tích này thường có tính khử, giàu chất hữu cơ và độ pH trung tính. Đây là các nhân tố làm tăng khả năng loại bỏ 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 xử lý nước thải mỏ. Ngày nay mùn nấm tổng hợp sản xuất từ nấm trộn phân ngựa và rơm, phân gà khô, thạch cao, đá vôi và hạt ủ rượu v.v. được sử dụng làm lớp nền để nâng cao hiệu quả 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 nghiên cứu nhiều nhất là vi khuẩn khử Fe và khử sunphat. Tất cả các loạt thực vật đều có khả năng làm giảm hàm lượng kim loại trong nước bằng quá trình hút bám trực tiếp kim loại lên thực vật. Kim loại cũng có thể bám hút hoặc kết tủa lên các mô thực vật. Một số thực vật có thể chuyển hóa thành bùn mà sau này trở thành một phần lớp nền của ĐNN. Thực vật cũng hình thành một số khả năng sinh thái đối với ĐNN dùng để xử lý nước thải như làm giảm vận tốc dòng chảy, làm ổn định lớp nền ĐNN, cung cấp nguồn hữu cơ cho vi sinh vật (đặc biệt quan trọng đối với khử sunphat) v.v. Thực vật ngoài ra còn mang lại tính mỹ quan cho khu vực ĐNN xử lý nước thải. Tuy nhiên nếu hàm lượng kim loại cần xử lý quá cao sẽ gây hiểm họa cho các loài động vật sống trong thủy vực.
3. So sánh quá trình xử lý nước thải mỏ bằng ĐNN tự nhiên và nhân tạo
3.1. Xử lý nước thải mỏ bằng ĐNN tự nhiên
Các vùng ĐNN tự nhiên thường phát triển loại thực vật bổ sung lớp nền hữu cơ, tạo điều kiện cho phát triển các loài vi khuẩn làm trung gian cho các phản ứng hóa học trong một số điều kiện môi trường nhất định, tạo thuận lợi cho quá trình loại bỏ kim loại khỏi môi trường nước. Các hệ thống ĐNN tự nhiên có khả năng tự làm sạch mà không cần phải duy trì, bảo dưỡng. Các ĐNN tự nhiên thường có tốc độ dòng chảy bề mặt thấp.
Một số hạn chế và thuận lợi khi sử dụng ĐNN tự nhiên, bao gồm:
· ĐNN tự nhiên cần phải gần kề với khu vực cần xử lý nước thải;
· Tốc độ dòng chảy và chất lượng nước của ĐNN tự nhiên là những vấn đề có thể hạn chế việc ứng dụng ĐNN cụ thể cho xử lý nước thải mỏ do khó kiểm soát;
· Phải có chiến lược kiểm soát chế độ lũ thường xuyên để đảm bảo tính ổn định lâu dài của các vùng ĐNN tự nhiên;
· Các vùng ĐNN tự nhiên vốn dĩ là nơi cư ngụ của các loài động-thực vật hoang dã;
· Do ĐNN tự nhiên không được thiết kế nên khó đánh giá định lượng về tính hiệu quả của xử lý nước thải.
3.2. Xử lý nước thải mỏ bằng ĐNN nhân tạo
ĐNN nhân tạo để xử lý nước thải mỏ được hình thành từ các khu vực trước đây không ngập nước hoặc hình thành từ các khu vực ĐNN hiện tại. ĐNN nhân tạo được thiết kế gần với ĐNN tự nhiên. Mục đích của các ĐNN tự nhiên là lợi dụng các quá trình tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình làm sạch kim loại trong nước của ĐNN nhân tạo là do hút bám trực tiếp của kim loại lên động-thực vật hoặc rễ thực vật đóng vai trò chủ đạo trong quá trình hút bám của kim loại lên rễ cây. Đối với ĐNN nhân tạo, thiết kế cần tính đến thời gian lưu nước trung bình khoảng 7 ngày, độ sâu trung bình của hệ thống 0.3m, chất lượng nước BOD < 10 mg/l; SS < 10 mg/l, tổng N < 10 mg/l; tổng P>5 mg/l. Hệ thống ĐNN tốt hoạt động với tốc độ dòng chảy >4 - 13 m 3/ngày. Hệ thống ĐNN nhân tạo có thể có hiệu quả hơn ĐNN tự nhiên do chế độ thủy lực được kiểm soát và chúng được thiết kế và vận hành với hiệu quả tối đa. Công nghệ về thiết kế ĐNN nhân tạo vẫn còn trong giai đoạn phát triển và cải thiện.
Một số vấn đề đối với ĐNN nhân tạo bao gồm:
· Việc thiết kế chế độ thủy lực khó đạt được hiệu quả tối ưu;
· Với khối lượng nước thải axit mỏ chứa hàm lượng kim loại cao thì xử lý bằng ĐNN nhân tạo cũng gặp khó khăn;
· Tuổi thọ của loại ĐNN nhân tạo dùng xử lý nước thải mỏ vẫn cần thời gian để đánh giá;
· Sự tích tụ chất ô nhiễm trong ĐNN có thể mang tính không ổn định về lâu dài.
4. Các cơ chế loại bỏ kim loại trong ĐNN
Trong thực tế, việc sử dụng ĐNN để xử lý nước thải có hàm lượng kim loại cao cũng có nhiều hạn chế so với xử lý nước thải sinh hoạt. Ví dụ không như chất ô nhiễm NO 3-và các chất hữu cơ khác, kim loại không thể chuyển hóa hoặc thủy phân thành chất ít gây ô nhiễm ví dụ thành khí N 2hay CO 2. Tuy nhiên kim loại cũng có thể chuyển hóa thành các dạng ít độc hại cho sinh vật hoặc về dạng ít độc tính. Hơn nữa, kim loại có thể bị loại khỏi nước nhưng chúng lại chuyển hóa sang dạng khác và được giữ lại trong thành phần khác của ĐNN, thường là trong lớp nền hoặc trong sinh khối. Điều này có nghĩa là kim loại thường bị loại bỏ khỏi nước sẽ dần 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. Trong trường hợp này, loại bỏ chất ô nhiễm ở khu vực này nhưng lại chuyển chất ô nhiễm tới các khu vực khác. Dưới đây là một số quá trình có khả năng loại bỏ kim loại trong quá trình xử lý nước thải axit mỏ bằng ĐNN.
4.1. Quá trình lắng
Một trong những chức năng sinh thái của ĐNN có thực vật phát triển là làm giảm tốc độ dòng chảy. Việc tăng thời gian lưu nước làm cho các hạt khoáng kích thước lớn và kim loại bám trên các hạt đó lắng xuống trước khi nước chảy sang lưu vực khác. Điều kiện cơ bản cho các quá trình lắng kim loại là một lượng lớn kim loại bám trên các hạt khoáng có kích thước đủ để lắng xuống. Tốc độ lắng của hạt khoáng tỷ lệ với bình phương đường kính của hạt. Kết tủa Fe hydroxit và hút bám lên các hạt khoáng là hai cơ chế quan trọng để kim loại hòa tan trong nước thải axit mỏ chuyển thành dạng rắn và bị tích tụ lại trong hệ thống ĐNN.
4.2. Quá trình hút bám
Trong một môi trường ĐNN, lớp nền đóng vai trò quan trọng trong quá trình hút bám của kim loại và kim loại hút bám lên các hạt khoáng có kích thước lớn có khả năng lắng làm loại bỏ kim loại hòa tan trong nước. Trong cả 2 trường hợp trên thì bản chất hóa học của hiện tượng hút bám giống nhau. Quá trình hút bám phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Bề mặt hạt khoáng hoặc lớp nền có thể trung tính, mang điện dương hay mang điện âm. Do vậy, các ion kim loại mang điện dương (ví dụ Cu +2) luôn luôn bị hút bám mạnh ở môi trường có độ pH cao, trong khi các ion loại mang điện âm (ví dụ AsO 4-3) thường bị hút bám mạnh ở pH thấp hơn.
4.3. Quá trình hấp thu sinh học
Thực vật trong ĐNN xuất hiện với nhiều dạng khác nhau. Trong khi loại thực vật sống trôi nổi hấp thu kim loại và chất dinh dưỡng có trong nước thì các loại thực vật có rễ hấp thu kim loại và chất dinh dưỡng có trong trầm tích. Thực tế đối với thực vật có rễ, kim loại vết chủ yếu được hấp thu qua bộ rễ thực vật. Với một khối lượng lớn chất thải mỏ thì việc xử lý bằng cách cho khối nước thải đi qua vùng rễ thực vật cũng không mang lại nhiều hiệu quả. Để quá trình hấp thu kim loại lên thực vật có hiệu quả thì kim loại cần tồn tại ở dạng dễ hấp thu sinh học. Trong một số trường hợp kim loại chỉ hút bám, hoặc kết tủa lên bề mặt của các sinh vật sống.
4.4. Quá trình ôxy hóa và thủy phân
Trong nước thải axit mỏ mới hình thành, sắt thường ở dạng Fe +2. Khi gặp ôxy, Fe +2bị ôxy 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 thay đổi dạng xuất hiện khi pH và điều kiện ôxy hóa khử thay đổi. Nhôm cũng có thể bị thủy phân và kết tủa dưới dạng gibbsite (Al(OH) 3). Sự hình thành Fe và Mn ôxyhydrôxit làm tăng khả năng hút bám 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 tích tụ trong vùng ĐNN.
4.5. Quá trình khử sắt
Thông thường môi trường trầm tích của ĐNN theo thời gian sẽ trở nên yếm khí. Do vậy sau khi Fe và Mn ôxyhydrôxit lắng cặn quá trình khử Fe sẽ diễn ra, giải phóng Fe và Mn ở dạng tan trong nước và làm tăng độ pH nước. Kết quả này cũng thúc đẩy quá trình loại bỏ kim loại trong ĐNN.,.
