Nghiên cứu xử lý kim loại nặng trong nước thải mỏ than bằng phương pháp chuyển hóa sinh học

Bên cạnh những lợi ích về mặt kinh tế - xã hội thì hoạt động Khai thác than phát sinh ra các chất thải, nước thải có tác động tiêu cực trực tiếp đến sức khỏe con người và làm biến đổi cảnh quan, hệ sinh thái. Nước thải mỏ than mang tính axit và chứa hàm lượng cao các kim loại nặng (Fe, Mn). Những kim loại này có liên quan trực tiếp đến các biến đổi gen, gây ra bệnh ung thư gan,... cũng như ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Đối với những nước đang phát triển như Việt Nam, ngành công nghiệp khai thác mỏ ở quy mô vừa và nhỏ gặp nhiều khó khăn trong việc xử lý nước thải mỏ do lượng nước thải phát sinh ra rất lớn, chi phí xử lý cao.

Từ thực tế trên, PGS.TS. Bùi Thị Kim Anh và nhóm nghiên cứu Viện Công nghệ môi trường đã tiến hành nhiệm vụ “Nghiên cứu xử lý kim loại nặng (Fe, Mn) trong nước thải mỏ than bằng phương pháp chuyển hóa sinh học kết hợp với bãi lọc trồng cây nhân tạo”, mã số UDPTCN04/18-20.

Đề tài nhằm giải quyết được vấn đề ô nhiễm mỏ than đồng thời tối ưu hóa về chi phí và không tạo ra ô nhiễm thứ cấp, hướng xử lý bằng các công nghệ sinh thái (bãi lọc trồng cây nhân tạo) và phương pháp chuyển hóa sinh học cho thấy sự phù hợp về cả hiệu quả xử lý và giá thành. Đây là công nghệ tiềm năng cần được phát triển nghiên cứu ứng dụng để xử lý nước thải mỏ tại Việt Nam.

Nhóm nghiên cứu tận dụng những vật liệu rẻ tiền như vỏ trấu (phụ phẩm nông nghiệp) và đá vôi để xử lý bước đầu; Kim loại nặng (Fe, Mn) bị giảm thiểu đáng kể sau công đoạn này. Một số chất còn lại sau quy trình như COD, hàm lượng Fe, Mn và các chất hữu cơ còn dư, Vi sinh vật gây bệnh... sẽ được xử lý qua bãi lọc trồng cây nhân tạo. Bãi lọc trồng cây nhân tạo (Constructed wetland - CW) là công nghệ sinh thái, thân thiện với môi trường thường dùng để xử lý nước thải. Thành phần cấu tạo nên bãi lọc bao gồm: vật liệu lọc (cát, đá, sỏi…), thực vật thủy sinh, vi sinh vật trong không khí và vi sinh vật vùng rễ. Quá trình chuyển hóa và xử lý chất ô nhiễm trong bãi lọc trồng cây do các quá trình hóa, lý và sinh học xảy ra giữa nhiều thành phần cấu tạo nên bãi lọc. Sự đan xen các thành phần này hình thành các điều kiện ôxi hóa khử khác nhau (kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí) tạo ra sự phân hủy phong phú và loại bỏ dần các chất ô nhiễm.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống xử lý dựa trên đặc tính của từng modul sử dụng vật liệu đá vôi và vỏ trấu thủy phân làm vật liệu lọc, hấp phụ và chuyển hóa sinh học. Tiếp theo là hệ thống bãi lọc trồng cây nhân tạo. Mô hình nghiên cứu được đưa ra bao gồm 2 bể chính: bể 1 bao gồm ngăn lắng và ngăn chứa đá vôi, vỏ trấu; bể 2 là hệ thống CW. Các tính toán thiết kế hệ thống 250l/ng.đ được tinh chỉnh phù hợp với nước thải đầu vào là nước thải mỏ than.

Một bãi lọc trồng cây nhân tạo để xử lý nước thải mỏ có tính axit

Đầu vào hệ thống xử lý, nhóm nghiên cứu bố trí thêm ngăn lắng - nhằm phân phối đồng đều nước thải theo chiều ngang của thành bể, ngoài ra còn có tác dụng lắng, làm giảm hàm lượng TSS tránh tắc nghẽn hệ lọc. Bãi lọc trồng cây nhân tạo được thiết kế bao gồm vật liệu lọc đá, sỏi, cát và cây sậy được trồng với mật độ là 15cm × 15cm. Trước khi thí nghiệm, sậy được trồng trong môi trường nước tự nhiên trong vòng 01 tháng để cây ra rễ và thích ứng với môi trường trồng.

Mô hình được vận hành thử nghiệm trong 3 tháng. Hiệu quả xử lý của mô hình đạt từ 75-99%. Mô hình thử nghiệm vận hành ổn định, chất lượng nước thải luôn đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột B đối với COD và QCVN 40:2011/BTNMT cột A đối với Fe, Mn. Điều này minh chứng cho tiềm năng ứng dụng mô hình trong xử lý nước thải mỏ ở các quy mô lớn hơn. Thực tế, công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam với ưu điểm về giá thành và hiệu quả xử lý.

Các tác giả đã được cấp Bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2541: Quy trình xử lý nước thải mỏ. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công mô hình sử dụng công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau tại Việt Nam. Điểm mấu chốt của các mô hình nằm ở thiết kế cấu tạo bãi lọc, cơ chế dòng chảy nhằm tiết kiệm năng lượng, do vậy chi phí vận hành được giảm tối đa. Ngoài ra, hoàn toàn có thể cải tiến hệ thống xử lý như một không gian xanh, tạo cảnh quan cho khu vực. Việc cải tạo cảnh quan môi trường, cải thiện môi trường nước bị ô nhiễm kim loại nặng bằng phương pháp này sẽ góp phần quan trọng vào việc phát triển bền vững kinh tế - xã hội và bảo vệ sức khỏe của cộng đồng.

NASATI