Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Lê Thị Hải Lê

2 PGS TS Trần Hồng Côn

HÀ NỘI, NĂM 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THIỆN TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Lê Thị Hải Lê

Cán bộ hướng dẫn phụ: PGS.TS Trần Hồng Côn

Cán bộ phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thị Hà

Cán bộ phản biện 2: TS Nguyễn Thu Huyền

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Ngày …… tháng …… năm 20…

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Cù Thị Thúy Hà

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến giáo viên hướng dẫn TS Lê Thị Hải Lê, giảng viên Khoa Môi trường - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội và PGS.TS Trần Hồng Côn, giảng viên Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy cô mà tôi có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Khoa Môi trường đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã cố gắng trong việc thu thập, tham khảo tài liệu và làm việc thực tế nhưng với thời gian thực hiện luận văn cũng như kiến thức, kỹ năng của bản thân có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô để luận văn của tôi được hoàn thiện

Tôi xin chân thành cảm ơn !

HỌC VIÊN

Cù Thị Thúy Hà

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.1.1 Tổng quan về bùn thải và phân loại 3

1.1.2 Tổng quan về kim loại chì, đồng 13

1.2 Hiện trạng quản lý bùn tại Việt Nam 23

1.3 Các phương pháp xử lý bùn thải 29

1.3.1 Tách nước 29

1.3.2 Phương pháp thiêu đốt 30

1.3.3 Sấy khô - thiêu đốt và công nghệ nhiệt khác 30

1.3.4 Phương pháp chôn lấp 31

1.3.5 Ổn định bùn thải bằng vôi bột 32

1.3.6 Phương pháp Pasteur 32

1.3.7 Phương pháp ủ sinh học 32

1.3.8 Phân hủy kỵ khí 32

1.3.9 Phân hủy hiếu khí 33

1.3.10 Phương pháp thu hồi tái chế 33

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35

2.1 Đối tượng, phạm vi và thời gian nghiên cứu 35

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 35

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 35

2.1.3 Thời gian nghiên cứu 36

2.2 Các phương pháp định lượng chì, đồng 36

2.2.1 Phương pháp phân tích hoá học [14],[15] 37

2.2.2 Phương pháp phân tích công cụ 39

2.3 Phương pháp nghiên cứu 42

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 42

2.3.2 Phương pháp điều tra và khảo sát thực địa 42

2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 42

2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu 48

2.3.5 Phương pháp so sánh 49

2.4 Nội dung nghiên cứu 49

2.4.1 Khảo sát sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ thành các dạng ít tan trong nước 49

2.4.2 Khảo sát khả năng di chuyển của kim loại nặng (Pb, Cu) từ bùn ra môi trường dưới tác động của nước mưa và môi trường thoáng khí 50

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 Hệ số khô kiệt của bùn 56

3.2 Kết quả xác định hàm lượng kim loại nặng trong bùn 56

3.3 Kết quả phân tích mẫu nước sông 57

3.4 Lập đường chuẩn phân tích chì và đồng 58

3.4.1 Đường chuẩn phân tích chì 58

3.4.2 Đường chuẩn phân tích đồng 59

3.5 Sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ thành các dạng ít tan trong nước 60

3.5.1 Khảo sát khả năng tạo kết tủa hydroxit của kim loại nặng (Pb, Cu) trong điều kiện pH thay đổi 60

3.5.2 Khảo sát khả năng tạo kết tủa sunfua của kim loại nặng (Pb, Cu) trong điều kiện pH thay đổi 66

3.6 Khảo sát khả năng di chuyển của kim loại nặng (Pb, Cu) từ bùn ra môi trường dưới tác động của nước mưa và môi trường thoáng khí 74

3.6.1 Khảo sát đối với dạng kết tủa hydroxit 74

3.6.2 Khảo sát đối với dạng kết tủa sunfua 92

3.7 Cảnh báo về mức độ an toàn khi tập trung, lưu trữ bùn thải nạo vét đô thị 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

1 Kết luận 115

2 Kiến nghị 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

(Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ)

giới)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thành phần chất dinh dưỡng và kim loại nặng trong bùn cặn 8

Bảng 1.2 Các hằng số vật lý của chì [7] 13

Bảng 1.3 Các hằng số vật lý của đồng [12] 20

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích tại phòng thí nghiệm 43

Bảng 2.2 Danh mục hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 47

Bảng 2.3 Thành phần nước mưa giả định [23] 52

Bảng 3.1 Kết quả phân tích chất lượng đầu vào mẫu bùn 56

Bảng 3.2 Kết quả phân tích chất lượng đầu vào mẫu nước sông 57

Bảng 3.3 Số liệu lập đường chuẩn chì 58

Bảng 3.4 Số liệu lập đường chuẩn đồng 59

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là Pb(OH)2 – TN1 60

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là Pb(OH)2 - TN2 61

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là Cu(OH)2 – TN3 63

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là Cu(OH)2 – TN4 64

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là PbS – TN5 66 Bảng 3.10 Kết quả khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là PbS – TN6 67

Bảng 3.11 Kết quả khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là CuS – TN7 71

Bảng 3.12 Kết quả khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là CuS – TN8 72

Bảng 3.13 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng Pb(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 6,5 75

Bảng 3.14 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng Pb(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 5,0 77Bảng 3.15 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng Pb(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 4,5 79Bảng 3.16 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng Pb(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước 82Bảng 3.17 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng Cu(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 6,5 84Bảng 3.18 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng Cu(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH 5,0 86Bảng 3.19 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng Cu(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 4,5 88Bảng 3.20 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng Cu(OH)2 di chuyển từ bùn vào môi trường nước 90Bảng 3.21 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng PbS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 6,5 92Bảng 3.22 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng PbS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 5,0 95Bảng 3.23 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng PbS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 4,5 97Bảng 3.24 Kết quả khảo sát khối lượng chì dạng PbS di chuyển từ bùn vào môi trường nước 100Bảng 3.25 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng CuS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 6,5 102Bảng 3.26 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng CuS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 5,0 105Bảng 3.27 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng CuS di chuyển từ bùn vào môi trường nước đối với nước mưa pH = 4,5 107

Bảng 3.28 Kết quả khảo sát khối lượng đồng dạng CuS di chuyển từ bùn vào môi trường nước 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Vị trí lấy mẫu nước sông và mẫu bùn 35

Hình 1.1 Nguyên tắc của phương pháp cực phổ (a) và Von-Ampe hòa tan (b) 39

Hình 3.1 Đường chuẩn chì 58

Hình 3.2 Đường chuẩn đồng 59

Hình 3.3 Khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là Pb(OH)2 – TN1 61

Hình 3.4 Khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là Pb(OH)2- TN2 62

Hình 3.5 Khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là Cu(OH)2 – TN3 64

Hình 3.6 Khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là Cu(OH)2 – TN4 65

Hình 3.7 Khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là PbS – TN5 67

Hình 3.8 Khảo sát hàm lượng chì theo pH khi dạng kết tủa là PbS- TN6 68

Hình 3.9 Tương quan hàm lượng chì khi có mặt ion OH- và ion S2—TN5 69

Hình 3.10 Tương quan hàm lượng chì khi có mặt ion OH- và ion S2—TN6 69

Hình 3.11 Khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là CuS – TN7 71

Hình 3.12 Khảo sát hàm lượng đồng theo pH khi dạng kết tủa là CuS – TN8 72

Hình 3.13 Tương quan hàm lượng đồng khi có mặt ion OH- và ion S2—TN7 73

Hình 3.14 Tương quan hàm lượng đồng khi có mặt ion OH- và ion S2—TN8 73

Hình 3.15 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 6,5 76

Hình 3.16 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 6,5 76

Hình 3.17 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 5,0 78

Hình 3.18 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 5,0 79

Hình 3.19 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 4,5 80

Hình 3.20 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 4,5 81

Hình 3.21 Biến thiên chì trong nước rỉ bùn tại các pH khác nhau 83

Hình 3.22 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 6,5 85

Hình 3.23 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 6,5

85

Hình 3.24 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 5,0 87

Hình 3.25 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 5,0 87

Hình 3.26 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 4,5 89

Hình 3.27 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 4,5 89

Hình 3.28 Biến thiên đồng trong nước rỉ bùn tại các pH khác nhau 91

Hình 3.29 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 6,5 93

Hình 3.30 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 6,5 94

Hình 3.31 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 5,0 96

Hình 3.32 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 5,0 96

Hình 3.33 Khối lượng chì hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH 4,5 98

Hình 3.34 Khối lượng chì tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH 4,5 99

Hình 3.35 Biến thiên chì trong nước rỉ bùn tại các pH khác nhau 101

Hình 3.36 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 6,5 103

Hình 3.37 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 6,5 104

Hình 3.38 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 5,0 106

Hình 3.39 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 5,0 106

Hình 3.40 Khối lượng đồng hàng ngày tan vào môi trường nước tại pH = 4,5 108

Hình 3.41 Khối lượng đồng tích lũy trong nước rỉ bùn thu được được tại pH = 4,5 109

Hình 3.42 Biến thiên đồng trong nước rỉ bùn tại các pH khác nhau 111

Đánh giá chế độ hoạt động của mạng lưới thoát nước đô thị thấy rằng một trong những yếu tố chính cản trở việc thu gom và tiêu thoát nước đô thị là

sự lắng đọng bùn cặn trong cống rãnh, kênh mương và hồ Nói cách khác, bùn cặn là nguyên nhân chính gây ra tình trạng ngập úng vào mùa mưa Vì vậy, định kỳ nạo vét, thu gom bùn cặn trong cống rãnh, kênh mương góp phần giảm ngập úng, đảm bảo vệ sinh môi trường

Bùn cặn theo nước mưa và nước thải có nguồn gốc từ quá trình cuốn trôi

bề mặt do mưa, từ nước thải sinh hoạt, công trình dịch vụ và nhà máy xí nghiệp

và trong quá trình xử lý nước thải Trong tất cả các loại bùn cặn trên, bùn cặn trong mạng lưới thoát nước (cống, kênh mương và hồ) không tập trung, khó thu gom và thành phần phức tạp nhất Bùn cặn nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, các chất độc hại thấp dễ sử dụng làm phân bón; nhưng hàm lượng kim loại nặng trong đó luôn là sự cản trở lớn nhất

Trong quá trình nạo vét, thu gom, vận chuyển và xử lý, bùn thải chuyển

từ trạng thái yếm khí sang hiếu khí, các điều kiện môi trường thay đổi, hợp chất trong bùn chuyển hóa thành nhiều dạng khác nhau Dưới tác động của các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học, kim loại nặng trong bùn có thể bị hấp phụ hoặc được giữ lại ở các dạng kết tủa trong bùn thải hay có thể bị hòa tan và đi vào môi trường nước gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu về khả năng lưu giữ và di chuyển của kim loại nặng trong bùn cũng như việc kiểm soát chất lượng bùn thải Vì vậy, đề tài

“Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị” được chúng tôi lựa chọn để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu được sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ thành các dạng ít tan trong nước sông: khảo sát sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ tạo kết tủa hydroxit và sunfua trong môi trường nước sông

- Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của dạng kết tủa chì, đồng

từ bùn nạo vét đô thị ra môi trường để hiểu rõ được hành vi của kim loại nặng trong bùn khi nạo vét đưa lên tập trung hay chôn lấp

+ Nghiên cứu đối với kết tủa dạng hydroxit;

+ Nghiên cứu đối với dạng kết tủa sunfua;

- Đưa ra cảnh báo về mức độ an toàn khi tập trung, lưu trữ bùn thải nạo vét đô thị

3 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát khả năng tạo kết tủa hydroxit của kim loại nặng (Pb, Cu) trong

điều kiện pH thay đổi: Chuẩn bị 1 lít mẫu nước sông Kim Ngưu cho vào cốc thủy tinh sạch dung tích 2 lít Thêm dung dịch chuẩn Cu, Pb vào mẫu nước, đo

pH ban đầu của dung dịch Điều chỉnh pH của dung dịch về khoảng pH = 2, dùng đũa thủy tinh khuấy đều dung dịch 30 phút Sau khi khuấy, đo lại pH của dung dịch Lấy khoảng 30 – 40ml dung dịch lọc qua giấy lọc băng xanh để loại

bỏ kết tủa và chuyển vào lọ đựng mẫu để xác định hàm lượng Cu, Pb Bảo quản mẫu bằng cách thêm axit HNO3 đến pH = 1-2 Điều chỉnh pH của dung dịch tăng lên một nấc, lặp lại quy trình thí nghiệm như trên Lặp lại quá trình điều chỉnh pH, khuấy mẫu, rút mẫu đến khi dung dịch đạt pH = 10

- Khảo sát khả năng tạo kết tủa sunfua của kim loại nặng (Pb, Cu)

trong điều kiện pH thay đổi: Chuẩn bị 1 lít mẫu nước sông Kim Ngưu cho vào cốc thủy tinh sạch dung tích 2 lít Thêm dung dịch chuẩn Cu, Pb vào mẫu nước, đo pH ban đầu của dung dịch Điều chỉnh pH của dung dịch về khoảng pH = 2, dùng đũa thủy tinh khuấy đều dung dịch 30 phút Sau khi khuấy, đo lại pH của dung dịch Lấy khoảng 30 – 40ml dung dịch, thêm 2-3 giọt Na2S đến dư, khuấy đều dung dịch để tạo hết kết tủa, lọc qua giấy lọc băng xanh để loại bỏ kết tủa và chuyển vào lọ đựng mẫu để xác định hàm lượng Cu, Pb Bảo quản mẫu bằng cách thêm axit HNO3 đến pH = 1-

2 Điều chỉnh pH của dung dịch tăng lên một nấc, lặp lại quy trình thí nghiệm như trên Lặp lại quá trình điều chỉnh pH, khuấy mẫu, rút mẫu đến khi dung dịch đạt pH = 10

- Khảo sát khả năng di chuyển của kim loại nặng (Pb, Cu) từ bùn ra môi trường dưới tác động của nước mưa: Dùng chậu nhựa bên dưới để hứng nước

rỉ từ bùn Cân chính xác khối lượng mẫu bùn cho vào rổ nhựa có lót một lớp vải sao cho lớp bùn dày khoảng 10cm Để mẫu bùn ngoài không khí 4-6 giờ để bùn róc nước, thu được bùn sệt Hút chính xác 5ml dung dịch chuẩn Pb 1000ppm và 5ml dung dịch chuẩn Cu 1000ppm vào cốc thủy tinh sạch có chứa khoảng 10ml nước cất

+ Khảo sát đối với dạng kết tủa hydroxit: Thêm dư dung dịch NaOH 0,1M vào cốc thủy tinh, khuấy đều cho phản ứng hoàn toàn Lọc dung dịch có chứa kết tủa Pb(OH)2 và Cu(OH)2 qua giấy lọc băng xanh, loại bỏ NaOH dư bằng cách tia nước cất rửa giấy lọc nhiều lần Trộn đều kết tủa Pb(OH)2 và Cu(OH)2 vào rổ bùn cho đồng nhất mẫu

+ Khảo sát đối với dạng kết tủa sunfua:Thêm dư dung dịch Na2S 0,1M vào cốc thủy tinh, khuấy đều cho phản ứng hoàn toàn Lọc dung dịch có chứa kết tủa PbS và CuS qua giấy lọc băng xanh, loại bỏ Na2S dư bằng cách tia nước cất rửa giấy lọc nhiều lần Trộn đều kết tủa PbS và CuS vào rổ bùn cho đồng nhất mẫu

Dùng nước mưa nhân tạo ở các pH = 6,5; pH = 5,0 và pH = 4,5 để tưới lên bề mặt bùn Để nước mưa thấm vào bùn, sau 24 giờ thu dung dịch rỉ từ hỗn hợp bùn ở dưới chậu nhựa Lấy khoảng 30-40 ml dung dịch, lọc qua giấy lọc

và chuyển vào lọ đựng mẫu để phân tích hàm lượng Cu, Pb Bảo quản mẫu bằng cách thêm axit HNO3 đến pH = 1-2 Dung dịch rỉ còn lại đem định mức lên bằng nước mưa nhân tạo, tiếp tục tưới lên bề mặt bùn Mỗi lần định mức nước mưa để tưới lên bùn, tính hệ số pha loãng mẫu Lặp lại thí nghiệm tưới nước mưa, thu nước rỉ

4 Kết quả nghiên cứu đạt được

Để có cái nhìn khái quát về khả năng lưu giữ và di chuyển của chì và đồng trong bùn nạo vét đô thị, luận văn đã tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh

hưởng đến các dạng kết tủa có khả năng tồn tại trong môi trường nước sông Kim Ngưu và bùn nạo vét thực tế như sunfua và hydroxit Các kết quả chính thu được trong quá trình nghiên cứu như sau:

1 Xác định khả năng tạo kết tủa của chì hydroxit và chì sunfua trong mẫu nước sông Kim Ngưu:

+ Đối với Pb(OH)2: khác với trong dung dịch nước cất, trong môi trường nước sông Kim Ngưu (Hà Nội), Pb(II) bắt đầu kết tủa ngay từ khi

pH >2 và tiếp tục cho đến pH 6 Từ pH 6 đến khoảng pH 8 có hiện tượng nồng độ Pb trong dung dịch tăng nhẹ Khi pH > 10 thì tính chất lưỡng tính của

Pb lại thể hiện khi nồng độ chì có xu hướng bắt đầu tan ra dưới dạng plumbat

+ Đối với PbS: khi có mặt của ion S2- nồng độ chì trong nước ở khoảng

pH 2 ÷ 5 giảm so với nồng độ chì ban đầu một lượng khá nhiều Trong khoảng pH = 5 ÷ 8 thì hàm lượng chì gần như không thay đổi

2 Xác định khả năng tạo kết tủa đồng hydroxit và đồng sunfua trong mẫu nước sông Kim Ngưu:

+ Đối với Cu(OH)2: khi pH tăng, từ những giá trị pH < 6 lẽ ra đồng chưa kết tủa nhưng ở đây nồng độ đồng đã giảm Trong vùng pH = 6 ÷ 8, nồng độ đồng có xu hướng tăng nhẹ hoặc không tăng

+ Đối với CuS: khi có mặt của ion S2- nồng độ đồng trong nước giảm đáng kể nhưng không hoàn toàn, trong mẫu nước vẫn tồn tại đồng hòa tan

3 Dưới tác động của nước mưa, các dạng kết tủa của chì và đồng trong bùn sông Kim Ngưu sau khi được nạo vét lên bờ có xu hướng di chuyển từ pha rắn (bùn thải) sang pha lỏng (nước rỉ bùn)

Đối với các hợp chất ít tan (sunfua và hydroxit) của chì, khả năng giải phóng từ bùn ra môi trường dưới tác động của nước mưa và môi trường thoáng

khí rất hạn chế và thường chỉ xảy ra trong những ngày đầu khi đưa bùn lên mặt đất Còn đối với đồng thì ngược lại, hàm lượng đồng giải phóng ra từ các kết tủa ít tan tương tự lại có xu hướng tăng theo thời gian lưu trữ

Lượng kim loại nặng bị phát tán và tích lũy trong môi trường nước tăng lên theo thời gian lưu của bùn Nước mưa có tính axit càng cao càng làm tăng tốc độ di chuyển của các kim loại này từ bùn so với nước mưa thông thường ra môi trường

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống thoát nước đô thị của Việt Nam chủ yếu là hệ thống thoát nước chung cho cả 3 loại nước thải là nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất và nước mưa Hệ thống thoát nước đô thị bao gồm các tuyến cấp I (cống chính hoặc kênh mương), tuyến cống cấp II (cống lưu vực) và cống cấp III (thu gom nước thải và nước mưa trực tiếp từ các đường phố và khu dân cư) Trên hệ thống thoát nước còn có các trạm bơm và hồ điều hoà Phần lớn hệ thống thoát nước các đô thị lớn đều đã được xây dựng từ lâu, xuống cấp và quá tải

Đánh giá chế độ hoạt động của mạng lưới thoát nước đô thị thấy rằng một trong những yếu tố chính cản trở việc thu gom và tiêu thoát nước đô thị là sự lắng đọng bùn cặn trong cống rãnh, kênh mương và hồ Nói cách khác, bùn cặn là nguyên nhân chính gây ra tình trạng ngập úng vào mùa mưa Vì vậy, định kỳ nạo vét, thu gom bùn cặn trong cống rãnh, kênh mương góp phần giảm ngập úng, đảm bảo vệ sinh môi trường

Bùn cặn theo nước mưa và nước thải có nguồn gốc từ quá trình cuốn trôi bề mặt do mưa, từ nước thải sinh hoạt, công trình dịch vụ và nhà máy xí nghiệp và trong quá trình xử lý nước thải Trong tất cả các loại bùn cặn trên, bùn cặn trong mạng lưới thoát nước (cống, kênh mương và hồ) không tập trung, khó thu gom và thành phần phức tạp nhất Bùn cặn nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, các chất độc hại thấp dễ sử dụng làm phân bón; nhưng hàm lượng kim loại nặng trong đó luôn là sự cản trở lớn nhất

Trong quá trình nạo vét, thu gom, vận chuyển và xử lý, bùn thải chuyển từ trạng thái yếm khí sang hiếu khí, các điều kiện môi trường thay đổi, hợp chất trong bùn chuyển hóa thành nhiều dạng khác nhau Dưới tác động của các tác nhân vật lý, hóa học, sinh học, kim loại nặng trong bùn có thể bị hấp phụ hoặc được giữ lại ở các dạng kết tủa trong bùn thải hay có thể bị hòa tan và đi vào môi trường nước gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng Hiện nay chưa có nhiều

nghiên cứu về khả năng lưu giữ và di chuyển của kim loại nặng trong bùn cũng như

việc kiểm soát chất lượng bùn thải Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu khả năng lưu giữ và

di chuyển của một số kim loại nặng trong bùn nạo vét đô thị” được chúng tôi lựa

chọn để nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu được sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ thành các dạng ít tan trong nước sông: khảo sát sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ tạo kết tủa hydroxit và sunfua trong môi trường nước sông

- Nghiên cứu khả năng lưu giữ và di chuyển của dạng kết tủa chì, đồng từ bùn nạo vét đô thị ra môi trường để hiểu rõ được hành vi của kim loại nặng trong bùn khi nạo vét đưa lên tập trung hay chôn lấp

+ Nghiên cứu đối với kết tủa dạng hydroxit;

+ Nghiên cứu đối với dạng kết tủa sunfua;

- Đưa ra cảnh báo về mức độ an toàn khi tập trung, lưu trữ bùn thải nạo vét đô thị

3 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập tài liệu về bùn thải; kim loại chì, đồng (Pb, Cu); ảnh hưởng của pH

và sunfua đến khả năng chuyển hóa của các kim loại đó trong quy mô phòng thí nghiệm

- Khảo sát sự chuyển hóa của ion Pb2+ và Cu2+ thành các dạng ít tan (dạng hydroxit, dạng sunfua) trong môi trường nước sông

- Khảo sát khả năng di chuyển của kim loại chì, đồng (Pb, Cu) từ bùn ra môi trường dưới tác động của nước mưa và môi trường thoáng khí

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đối tượng nghiên cứu

1.1.1 Tổng quan về bùn thải và phân loại

a Khái niệm

Bùn là hỗn hợp chất rắn và nước có thành phần đồng nhất trong toàn bộ thể tích, có kích thước hạt nhỏ hơn 2mm và có hàm lượng nước (độ ẩm) lớn hơn 70%

Có nhiều dạng bùn phát sinh cùng với hoạt động của các đô thị hiện nay là bùn thải

từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt, bùn bể tự hoại, bùn sông hồ, cống rãnh thoát nước, bùn thải từ hoạt động công nghiệp [1]

Tại khoản 1 điều 3 Nghị định 38/2015/NĐ-CP quy định, chất thải rắn là chất thải ở thể rắn hoặc sệt (còn gọi là bùn thải) được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch

vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác [2]

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 và thải bùn chiếm khoảng 25÷50% tổng giá thành quản lý chất thải [3]

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 này Bùn bao gồm chủ yếu là nước, khoáng chất và chất hữu cơ

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 sản xuất Số lượng bùn thải thường rất lớn và gây ô nhiễm cho môi trường nếu không được xử lý tốt [4]

b Phân loại

Bùn được phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh và thành phần của chúng Thành phần bùn phụ thuộc vào bản chất ô nhiễm ban đầu của nước và phương pháp làm sạch: xử lý vật lý, xử lý hóa học và xử lý sinh học [4], 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 từ quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, mà hàm lượng chất bay hơi có thể đạt đến 90% toàn bộ chất khô (nước thải sinh hoạt, nước thải của công nghiệp thực phẩm, hóa hữu cơ)

- Bùn vô cơ ưa nước: Các bùn này chứa hydroxit kim loại tạo thành của 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 ferreux hoặc ferit, muối nhôm)

- Bùn chứa dầu: Nó đặc trưng bằng việc trong các chất thải có mặt 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 than hoạt tính (ví dụ: xử lý 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, )

- Bùn vô cơ ưa nước – kị nước: Bùn này chủ yếu bao gồm các chất kị nước chứa vừa đủ chất ưa nước để cho ảnh hưởng bất lợi của chất này đến việc làm khô bùn chiếm ưu thế hơn Các chất ưa nước thường là các hydroxit kim loại (chất kết tụ)

- Bùn có sợi: nói chung loại bùn này rất dễ làm khô trừ khi việc thu hồi bùn làm cho các sợi chuyển sang dạng ưa nước do sự có mặt của hydroxit hoặc bùn sinh học

Bùn nạo vét đô thị có nguồn gốc phát sinh chủ yếu từ nước thải sinh hoạt, các loại nước thải khác và nước mưa, nước rửa đường, nước tưới cây nên thành phần chính của bùn được phân loại là bùn hữu cơ ưa nước và bùn vô cơ kị nước

c Nguồn gốc của bùn thải

Bùn thải được phát sinh từ nhiều nguồn [3]:

- 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 được cách giải quyết

- 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 đô thị là: hàm lượng chất hữu cơ cao (55÷60% tổng lượng chất rắn), chứa nhiều vi sinh vật 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 (cả vi khuẩn gây bệnh) phát triển là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước, được chuyển tới các nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và các hệ thống sông thoát nước 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 sống 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 nước thải đầu 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: Là hỗn hợp bùn, phân và chất lỏng thu gom được

từ hệ thống vệ sinh tại chỗ, riêng lẻ như: các nhà xí, nhà vệ sinh công cộng không có cống thoát nước, bể tự hoại và hố xí dội nước Phân bùn bể tự hoại là phân bùn tạo ra

từ các bể tự hoại (cặn lắng, váng nổi hoặc dạng lỏng) Bể tự hoại tiếp nhận các sản phẩm bài tiết của người từ các công trình vệ sinh, xử lý phần chất lỏng bằng cách lắng chất rắn Phần chất rắn trong bùn cặn là 660 g/kg, tỷ trọng điển hình của cặn lắng đáy dạng bùn là 1,4÷1,5 t/m3 (gần giống cặn lắng nước thải) và hàm lượng nước (độ ẩm) là 50% Khác với nước thải, tính chất của phân bùn tuỳ thuộc vào thời gian lưu trong bể tự hoại Thành phần hữu cơ của các loại phân bùn từ các công trình vệ sinh có thời gian sử dụng khác nhau Các thành phần này nếu được xử lý và thu hồi theo phương thức hợp lý sẽ là nguồn phân bón thực sự có ích cho cây trồng và đồng thời góp phần làm giảm nhẹ tải trọng của hệ thống đường ống thoát nước tại các đô thị và giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

- Bùn thải nuôi trồng thủy hải sản (nuôi trồng tôm): Bùn thải nuôi tôm là nguồn chất lắng đọng xuống đầm nuôi tôm, một nguồn thải vô cùng nguy hiểm cho vấn đề lan truyền dịch bệnh và ô nhiễm môi trường Sau 3-4 tháng, lớp bùn lắng này có thể dày 20÷30 cm phủ khắp tầng đáy diện tích nuôi tôm Một số kết quả nghiên cứu thành phần bùn thải nuôi trồng tôm cho thấy thành phần 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, tảo lục, nấm bệnh và đặc biệt là các sản phẩm phân hủy của quá trình yếm khí như

NH3, H2S, CH4 là các tác nhân gây hại vô cùng nguy hiểm cho vật nuôi

d Đặc điểm, tính chất của bùn thải

Hơn 60.000 độc chất và chất độc hóa học đã được tìm thấy trong bùn thải và nước thải Stephen Lester (CHEJ) đã tổng hợp thông tin từ các nhà nghiên cứu Đại

học Cornell và Hiệp hội các kỹ sư xây dựng đã xác định rằng bùn thải có chứa các độc tố sau đây:

- Polychlorinated biphenyls (PCBs)

- Clo thuốc trừ sâu bao gồm DDT, dieldrin, aldrin, endril, chlordane, heptachlor, Lindan, mirex, kepone, 2,4,5-T, 2,4-D

- Clo hóa các hợp chất như dioxin

- Polycyclic hydrocacbon thơm

- Kim loại nặng: asen, cadimi, crom, chì và thủy ngân

- Vi khuẩn, vi rút, động vật nguyên sinh, giun ký sinh và nấm

- Các độc tố khác bao gồm: amiăng, sản phẩm dầu mỏ và các dung môi công nghiệp [5]

Năm 2009, US-EPA công bố báo cáo quốc gia về nghiên cứu bùn nước thải,

mà các báo cáo về mức độ kim loại, hóa chất và các tài liệu khác có trong một mẫu thống kê của cặn của nước thải Một số điểm nổi bật bao gồm:

- Bạc (Ag): 20mg Ag/kg bùn, một số cặn có hàm lượng đặc biệt cao có đến 200mg Ag/kg bùn, Bari (Ba) 500mg Ba/kg, trong khi Magie (Mg) có mặt với tỷ lệ 1g/kg bùn

- Mức độ cao của sterol và các kích thích tố đã được phát hiện, với mức trung bình trong phạm vi lên đến 1.000mg/kg bùn

- Pb, As, Cr, và Cd với các hàm lượng khác nhau ước tính của US-EPA có mặt với số lượng phát hiện trong 100% cặn của nước thải ở Mỹ

Các loại bùn thải có tính chất rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào nguồn gốc của bùn thải Nhìn chung, bùn thải bao gồm các hợp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, một số loại các vi chất dinh dưỡng không cần thiết, dấu vết kim loại, chất gây ô nhiễm

vi sinh hữu cơ và vi sinh vật Nước thải bùn cũng có thể chứa chất độc hại khác như chất tẩy rửa, các muối khác nhau và thuốc trừ sâu, chất hữu cơ độc hại… Kết quả

nghiên cứu về đặc điểm bùn thải tại Bang Indiana (Mỹ) cho thấy bùn thải có chứa khoảng 50% chất hữu cơ và 1 ÷ 4% cacbon vô cơ Nitơ hữu cơ và Photpho vô cơ là thành phần chủ yếu của N và P trong bùn Cacbon hữu cơ và vô cơ hiện diện tương đối ổn định trong thời gian lấy mẫu Tuy nhiên, sự dao động lớn nhất đó chính là thành phần các kim loại nặng như Cd, Zn, Cu, Ni, Pb trong bùn thải (Sommers et al 1976) [6]

 Đặc tính của bùn thải nạo vét đô thị

Các nghiên cứu về hệ thống thoát nước Hà Nội, Hải Phòng và một số đô thị khác khu vực phía Bắc của Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường (Trường Đại học Xây dựng) cho thấy, thành phần bùn cặn thay đổi nhiều theo chiều dài tuyến cống, thời gian mùa mưa và cường độ trận mưa Về mùa khô, cống thoát nước tiếp nhận các loại nước thải và nước rửa đường, tưới cây Bùn cặn chủ yếu tập trung vào đầu tuyến cống với độ ẩm không lớn và tỷ lệ vô cơ cao Đầu mùa mưa, lượng bùn cặn trong cống thoát nước tăng lên rõ rệt Trong mùa mưa, bùn cặn có hàm lượng hữu cơ cao và tập trung nhiều trên kênh mương và ao hồ đô thị

Bùn cặn hệ thống thoát nước có độ ẩm lớn, thành phần hữu cơ cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh, trứng giun sán và có mùi hôi, khó chịu Độ ẩm của bùn cặn cống thoát nước và sông mương khoảng 75 ÷ 92% Khi nạo vét để vận chuyển, độ ẩm còn lại khoảng 50 ÷ 80% Các số liệu bùn cặn cống và kênh mương thoát nước một số đô thị được trình bày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần chất dinh dưỡng và kim loại nặng trong bùn cặn

TT Chỉ tiêu TP.Hồ Chí Minh (1) TP Hà Nội (2) TCCP (3)

(2) Bùn kênh TE trên sông Tô Lịch (theo báo cáo dự án thoát nước Hà Nội giai đoạn II do Nippon Koei lập, 2005);

(3) Tiêu chuẩn đối với đất nông nghiệp theo QCVN 03:2008/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn cho phép của kim loại nặng trong đất

Lượng bùn cặn tập trung trong cống thoát nước phụ thuộc vào một loạt các yếu tố đô thị: tình trạng vệ sinh và đặc điểm bề mặt phủ, độ dốc địa hình, mức độ ô nhiễm môi trường không khí khu vực, cường độ mưa, thời gian mưa, khoảng thời gian không mưa,

Theo nghiên cứu của Công ty Cổ phần Môi trường Việt Úc (2007), bùn cặn tại 3 vị trí kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè (TP.Hồ Chí Minh) có thành phần hữu cơ chiếm 69,8 ÷ 82,4%, hàm lượng nitơ hữu cơ là 0,29% và phôt pho tổng số là 0,19% rất phù hợp cho cây trồng Nồng độ kẽm là 569 mg/kg, các kim loại nặng Pb, Cd thấp không gây ảnh hưởng đến môi trường Phân tích bùn cặn cống thoát nước đầu hồ Bảy Mẫu cũng như bùn cặn sông Kim Ngưu tại hồ Yên Sở của CEETIA (2007 và 2008) cho thấy hàm lượng As, Cd, Cu, Pb và Zn trong đó luôn luôn thấp, mức độ vết hoặc nhỏ hơn các quy định cho phép đối với đất nông nghiệp theo QCVN 03: 2008/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn cho phép của kim loại nặng trong đất

Phần lớn cơ sở sản xuất, nhà máy xí nghiệp có các chất thải ô nhiễm độc hại được di chuyển hoặc có hệ thống xử lý theo Nghị định 64 của Chính phủ Vì vậy bùn

cặn hệ thống thoát nước đô thị hiện nay có hàm lượng kim loại nặng không lớn Tuy nhiên, thành phần hữu cơ và các chất dinh dưỡng trong bùn cặn cao Mặt khác, bùn cặn nước thải đô thị cũng chứa nhiều vi khuẩn và trứng giun sán Theo Strauss (1997)

và Mara (1978), trong bùn cặn bể tự hoại số lượng trứng giun sán khoảng 4.000 trứng/l Trong bùn cống thoát nước, số lượng này khoảng vài trăm đến vài nghìn Đây

là những yếu tố cần tính đến khi sử dụng bùn cặn hệ thống thoát nước đô thị để làm trồng cây hoặc phân bón

Bùn cặn nước thải phân bố không đều trên hệ thống thoát nước từ các tuyến cống đến sông, mương và hồ Số lượng và thành phần đa dạng, phức tạp, thay đổi theo thời gian và điều kiện khí hậu, thời tiết nên rất khó thu gom, vận chuyển và xử

lý Các loại bùn cặn nước thải có độ ẩm lớn nên thường khó khăn và dễ gây ô nhiễm môi trường khu vực đô thị khi thu gom và vận chuyển Bùn cặn nước thải sinh hoạt

có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao, nồng độ kim loại nặng và các chất độc hại thấp dễ sử dụng làm phân bón Tuy nhiên, trong bùn cặn chứa nhiều trứng giun sán, vi khuẩn dễ gây bệnh dịch Đối với hệ thống thoát nước các khu vực công nghiệp, trong bùn cặn có thể tồn tại kim loại nặng nên khó xử lý và sử dụng

e Tác động của bùn thải tới môi trường và sức khỏe con người

Bùn được xác định bởi US-EPA như một chất gây ô nhiễm Trong năm 2011, US-EPA đưa một nghiên cứu tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Hoa Kỳ (NRC) để xác định các nguy cơ tới sức khỏe của con người và sinh vật do bùn thải Trong tài liệu này, NRC đã chỉ ra rằng rất nhiều sự nguy hiểm của bùn chưa được làm rõ hoặc chưa được quan tâm thỏa đáng, đặc biệt khi bùn thải đô thị được sử dụng như một loại phân bón hữu dụng hay nước thải từ nguồn nước thải đô thị bị ô nhiễm được sử dụng như một nguồn nước tưới

Bùn thải chứa vi khuẩn gây bệnh, vi rút và các động vật nguyên sinh cùng với giun sán ký sinh trùng khác có thể làm tăng nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe của con người, động vật và thực vật Bổ sung bùn tươi vào đất gây ra mức độ vi khuẩn E.coli tăng lên giá trị lớn hơn đáng kể (Unc et al, 2006) Theo Tổ chức Y tế thế giới -WHO

(1981), báo cáo về nguy cơ đối với sức khỏe đã xác định các vi sinh vật gây bệnh chủ

yếu là Salmonella và Taenia là mối quan tâm lớn nhất

Bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải tuy được xử lý qua các quy trình phức tạp về mức độ ô nhiễm giảm nhưng không loại bỏ hết được tác nhân gây bệnh và các chất nguy hại ở mức độ thấp của các thành phần như PAHs, PCB, dioxin, kim loại nặng Các nghiên cứu khác kết luận rằng thực vật hấp thu một lượng lớn kim loại nặng và các chất ô nhiễm độc hại được lưu giữ sản phẩm, sau đó được tiêu thụ bởi con người (Turek et al, 2005)

Bùn thải tác động đến sức khỏe con người có thể được chia thành ảnh hưởng nhìn thấy ngay sau khi tiếp xúc (như: mùi hôi, nhiễm trùng do hít/ nuốt vi khuẩn) hoặc phát sinh do tiếp xúc dài hạn (tiếp xúc với kim loại phát tán từ quá trình xử lý bùn), ảnh hưởng từ từ, không thấy ngay được hậu quả Những người có nguy cơ bị ảnh hưởng nhiều nhất là người thường xuyên tiếp xúc với bùn thải như nhân viên xử

lý nước thải, công nhân nạo vét bùn, công nhân tại các cơ sở ủ phân, nông dân canh tác trên đất từ bùn thải và các hộ gia đình có sự tiếp xúc [5]

Ở Việt Nam, hiện nay chưa có thống kê cụ thể về những tác hại của bùn thải đối với môi trường Tuy nhiên, trên thực tế với lượng bùn thải lớn được nạo hút từ hệ thống cống rãnh thoát nước, bể phốt, sông hồ và bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thải ra môi trường gây hậu quả nghiêm trọng Bùn thải từ hệ thống thoát nước và từ các nhà máy xử lý nước thải được xử lý sơ bộ hoặc không được xử lý, vận chuyển tới các bãi chôn lấp hoặc được đổ tại các địa điểm không xác định, ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, gây ô nhiễm không khí và nhất là thẩm thấu làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt dẫn đến chất luợng nguồn nuớc bị suy giảm Thành phần và tính chất bùn thải có ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu khả năng tận dụng bùn cho các mục đích khác nhau (sử dụng làm phân bón, cải tạo đất nông nghiệp, san lấp mặt bằng, sản xuất vật liệu xây dựng…), nó cũng cho phép xác định các nguyên nhân tích tụ các chất ô nhiễm trong bùn của mỗi kênh rạch cũng như thành phần ô nhiễm

độc hại trong bùn Do đó, các tác động tiềm tàng của bùn thải đến môi trường có thể

- Gây ô nhiễm không khí: Quá trình phân hủy kị khí của bùn sẽ tạo ra các khí

có mùi như H2S, CH4, NH3… gây hiệu ứng nhà kính và ảnh hưởng đến con người

- Gây ô nhiễm môi trường đất: Ô nhiễm đất chủ yếu gây ra bởi các thành phần độc hại có trong bùn với nồng độ cao, bao gồm chất hữu cơ, các kim loại nặng và cả những chất khó phân hủy như bao nylon, lon sắt trong bùn nạo vét sẽ gây ô nhiễm đất và khó khắc phục

- Tác động đến hệ sinh thái: Làm mất mỹ quan đô thị, ảnh hưởng đến thủy sinh sống trong nước

- Tác động đến động vật: Bùn đáy cũng là môi trường sống của hàng nghìn loài sinh vật, vi sinh vật,… và thông qua chuỗi thức ăn mà bùn có thể tác động đến các động vật bậc cao hơn trong đó có con người, đặc biệt là bùn chứa nhiều kim loại nặng

Hàm lượng kim loại nặng trong bùn là mối quan tâm đầu tiên khi nạo vét kênh rạch, có liên quan chặt chẽ đến mục đích tái sử dụng bùn hoặc các tác động đổ bùn không đúng quy định như ảnh hưởng đến hệ sinh thái tại khu vực bãi đổ bùn 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 lắng thì các kim loại nặng cũng sẽ bị tích tụ trong bùn Một số kim loại nặng 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 nặng khác lại là chất độc Có 6 nguyên tố cơ bản là (Fe, Zn, Mn, Cu, Mo, Co) được gọi là các chất dinh dưỡng vi lượng cần thiết cho cây 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 Đối với Hg và Pb là những thành phần kim loại hoàn toàn không cần thiết cho thực vật, vi sinh vật và gây độc đối với con người [5]

1.1.2 Tổng quan về kim loại chì, đồng

a Kim loại chì

 Khái quát về kim loại chì

Chì là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóa học, viết tắt là Pb (tiếng Latin là Plumbum) và có số nguyên tử là 82 Chì có hóa trị phổ biến là II, có khi là IV Chì là một kim loại mềm, nặng, độc hại và có thể tạo hình Chì có màu trắng xanh khi mới cắt nhưng bắt đầu xỉn màu thành xám khi tiếp xúc với không khí Chì dùng trong xây dựng, ắc quy chì, đạn và là một phần của nhiều hợp kim Chì có

số nguyên tố cao nhất trong các nguyên tố bền

Bảng 1.2 Các hằng số vật lý của chì [7]

Nguồn: Hóa học vô cơ tập 2

Trữ lượng trong tự nhiên của chì là 1.10-4% tổng số nguyên tử của vỏ trái đất, chì là nguyên tố ít phổ biến

Cacbonate-tụ trong cây trồng trong quá trình sinh trưởng và do đó đối với cây lương thực bị nhiễm chì có thể dẫn đến sự ngộ độc do chì

Ở điều kiện thường, chì bị oxi hóa tạo thành lớp oxit màu xám xanh bao bọc trên bề mặt bảo vệ cho chì không tiếp tục bị oxi hóa nữa

Do 𝐸

𝑜 = -0,126 V nên về nguyên tắc chì tan được trong HCl loãng và

H2SO4 dưới 80% nhưng thực tế chì chỉ tương tác trên bề mặt với dung dịch axit HCl loãng và axit H2SO4 dưới 80% vì bị bao bọc bởi lớp muối khó tan (PbCl2 và PbSO4) Với dung dịch đậm đặc hơn của các axit đó thì chì có khả năng tạo phức tan

PbCl2 + 2HCl → H2(PbCl4)

PbSO4 + H2SO4 → Pb(HSO4)2

Chì tác dụng với HNO3 ở bất kì nồng độ nào:

3Pb + 8HNO3 → 3Pb(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O

 Hợp chất của chì [8],[9]

 Chì oxit

- Chì có hai oxit là PbO, PbO2 và hai oxit hỗn hợp là chì metaplombat Pb2O3(hay PbO.PbO2), chì orthoplombat Pb3O4 (2PbO.PbO2)

- Monooxit PbO là chất rắn có hai dạng: PbO -α màu đỏ và PbO -β màu vàng, PbO tan chút ít trong nước nên chì có thể tương tác với nước khi có mặt oxi PbO tan trong axit và tan trong kiềm mạnh, khi đun nóng trong không khí bị oxi hoá thành

Pb3O4

Đioxit PbO2 là chất rắn màu nâu đen, có tính lưỡng tính nhưng tan trong kiềm

dễ hơn trong axit Khi đun nóng PbO2 mất dần oxi biến thành các oxit trong đó chì

có số oxi hoá thấp hơn:

Chì orthoplombat (Pb3O4) hay còn gọi là minium, là hợp chất của Pb có các

số oxi hoá +2, +4 Nó là chất bột màu đỏ da cam, được dùng chủ yếu là để sản xuất thuỷ tinh pha lê, men đồ sứ và đồ sắt, làm chất màu cho sơn (sơn trang trí và sơn bảo

vệ cho kim loại không bị rỉ)

Pb(OH)2 + 2KOH → K2[Pb(OH)4]

Muối hiđroxoplombit dễ tan trong nước và bị thuỷ phân mạnh nên chỉ bền trong dung dịch kiềm dư

 Chì sunfua

Chì sunfua (PbS) có thể điều chế bằng cách nung đến 300oC hỗn hợp gồm PbCO3 và S bột

2PbCO3+ 3𝑆→ 2𝑃𝑏𝑆 + 2𝐶𝑂𝑡𝑜 2 ↑ +𝑆𝑂2 ↑ Chì monosunfua PbS có màu đen, chì disunfua PbS2 có màu đỏ hung

PbS không tan trong nước và trong axit loãng PbS2 tự phân hủy ngay ở nhiệt

độ thường, dưới tác dụng của HCl đặc giải phóng H2S2

PbS tan trong HNO3 và trong HCl đặc

3PbS + 8HNO3 → 3PbSO4 + 8NO ↑ + 4H2O

PbS bị H2O2 oxi hóa thành PbSO4 có màu trắng

PbS + 4H2O2 → PbSO4 + 4H2O

Phản ứng này dùng để phục hồi lại các bức tranh cổ vẽ bằng bột trắng chì [2PbCO3.Pb(OH)2] để lâu ngày đã ngả màu đen vì muối chì đã bị H2S trong không khí phản ứng tạo ra PbS

PbI2 + 2KI → K2[PbI4]

PbCl2 + 2HCl → H2[PbCl4]

 Một số ứng dụng và tác hại của chì

 Trong công nghiệp

- Chì được sử dụng trong pin, trong bình ăcqui, trong một số dụng cụ dẫn điện Một số hợp chất chì được thêm vào trong sơn, thủy tinh, đồ gốm như chất tạo màu, chất ổn định, chất kết gắn

- Các chất thải từ ứng dụng của sản phẩm chì nếu không được tái chế hợp lý

sẽ đưa vào môi trường làm gia tăng lượng kim loại độc hại này trong môi trường Ngoài ra một số hợp chất chì hữu cơ như tetraetyl hoặc tetrametyl chì được thêm vào trong xăng đặc biệt ở những quốc gia đang phát triển

 Tác hại của chì đối với sức khỏe con người

Chì là nguyên tố có độc tính cao đối với con người và động vật Nó xâm nhập vào cơ thể sống chủ yếu qua con đường tiêu hóa, hô hấp,… Tác động đến tủy xương

và quá trình hình thành huyết cầu tố, nó thay thế canxi trong xương

Đặc tính nổi bật của chì là sau khi xâm nhập vào cơ thể sống nó ít bị đào thải

mà tích tụ theo thời gian Khả năng loại bỏ chì ra khỏi cơ thể rất chậm, chủ yếu qua nước tiểu Chu kì bán rã của chì trong máu khoảng một tháng, trong xương từ 20-30 năm (WHO,1995 trích trong Lars Jarup, 2003)

Sau khi chì xâm nhập vào cơ thể người qua đường nước uống nó tích tụ lại rồi đến một mức độ nào đó mới gây độc Khi nồng độ chì trong nước uống là 0,042 ÷ 1,00mg/l sẽ xuất hiện triệu chứng bị ngộ độc kinh niên ở người Các hợp chất hữu cơ chứa chì có độc tính cao gấp hàng trăm lần so với các hợp chất vô cơ Khi bị nhiễm độc chì, nó sẽ gây ra nhiều bệnh như: Giảm trí thông minh; Các bệnh về máu, thận, tiêu hóa, ung thư,… Sự nhiễm độc chì có thể dẫn đến tử vong [10],[11]

Những biểu hiện của ngộ độc chì cấp tính như nhức đầu, tính dễ cáu, dễ bị kích thích và nhiều biểu hiện khác nhau liên quan đến hệ thần kinh

Con người bị nhiễm độc lâu dài đối với chì có thể bị giảm trí nhớ, giảm khả năng hiểu, giảm chỉ số IQ, xáo trộn khả năng tổng hợp hemoglobin có thể dẫn đến bệnh thiếu máu

Chì cũng được biết là tác nhân gây ung thư phổi, dạ dày và u thần kinh đệm Nhiễm độc chì có thể gây tác hại đối với khả năng sinh sản, gây sảy thai, làm suy thoái nòi giống

b Kim loại đồng

 Khái quát về kim loại đồng

Đồng là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và

số nguyên tử bằng 29 Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao (trong

số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn) Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ Nó được sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng và thành phần của các hợp kim của nhiều kim loại khác nhau

Đồng là một trong số ít các kim loại xuất hiện trong tự nhiên ở dạng kim loại

có thể sử dụng trực tiếp thay vì khai thác từ quặng Do đó, đồng được con người sử dụng từ rất sớm khoảng năm 8000 TCN Đồng là kim loại đầu tiên được nung chảy

từ quặng của nó vào khoảng năm 5000 TCN, kim loại đầu tiên được đúc thành khối vào khoảng năm 4000 TCN và kim loại đầu tiên được tạo thành hợp kim với các loại khác, là thiếc để tạo ra đồng đỏ vào khoảng năm 3500 TCN

Kim loại và các hợp kim của đồng đã được sử dụng cách đây hàng ngàn năm

Trong thời của nền văn minh Hy Lạp, đồng được biết đến với tên gọi chalkos Trong

thời kỳ La Mã, đồng chủ yếu được khai thác ở Síp, vì thế tên gọi ban đầu của kim

loại này là сyprium (kim loại Síp), sau đó được gọi tắt là сuprum

Các hợp chất của đồng thường tồn tại ở dạng muối đồng(II), chúng thường có màu xanh lam hoặc xanh lục của các loại khoáng như ngọc lam và trong lịch sử đã được sử dụng rộng rãi làm chất nhuộm Các công trình kiến trúc được xây dựng có đồng bị ăn mòn tạo ra màu xanh lục verdigris (hoặc patina)

Trong tự nhiên, đồng có thể tìm thấy ở dạng đồng tự nhiên hoặc trong dạng khoáng chất Các khoáng chất như: cacbonat azurite (2CuCO3Cu(OH)2), malachite

(CuCO3Cu(OH)2) cũng như cát sunfua như: chalcopyrite (CuFeS2), bornit (Cu5FeS4), covellit (CuS), chalcocit (Cu2S) và oxit cuprit (Cu2O) là các nguồn để sản xuất đồng

Phần lớn đồng trích xuất được trong các mỏ lộ thiên trong các khoáng sản có

ít hơn 1% đồng

Đồng có 11 đồng vị từ 58Cu đến 68Cu, trong đó có hai đồng vị bền là 63Cu (chiếm 69,1% đồng có mặt trong tự nhiên) và 65Cu (chiếm 30,9% đồng có mặt trong

tự nhiên) Các đồng vị còn lại có tính phóng xạ, trong đó đồng bị phóng xạ bền nhất

là 57Cu với chu kỳ bán rã 2,21 ngày Bảy đồng vị kích thích, đặc trưng nhất là 68mCu tồn tại lâu nhất với chu kỳ bán rã 3,8 phút Các đồng vị với số khối lớn hơn 64 thì phân rã β-, ngược lại các đồng vị có số khối dưới 64 thì phân rã β+ Đồng vị 64Cu, có chu kỳ bán rã 12,98 giờ, phân rã theo cả hai cơ chế trên

Hai đồng vị 62Cu và 64Cu có những ứng dụng đáng chú ý Đồng vị 64Cu được

sử dụng trong chụp hình tia-X, và dạng tạo phức với chelate có thể được dùng trong điều trị ung thư Đồng vị 62Cu được dùng trong 62Cu-PTSM là một phương pháp vết phóng xạ trong chụp cắt lớp bằng positron [9]

Đồng là vật liệu dễ dát mỏng, dễ uống, có khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt,

vì vậy nó được sử dụng một cách rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm:

- Là một thành phần trong tiền kim loại;

- Trong đồ nhà bếp, chẳng hạn như chảo rán;

- Phần lớn các đồ dùng bằng niken trắng dùng ở bàn ăn (dao, nĩa, thìa) có chứa một lượng đồng nhất định;

- Là thành phần của gốm kim loại và thủy tinh màu

Bảng 1.3 Các hằng số vật lý của đồng [12]

Nguồn: Hóa học vô cơ tập 3

 Tính chất của đơn chất

Cu phản ứng trực tiếp với oxi Khi nung trong điều kiện thiếu không khí tạo

ra Cu2O màu đỏ gạch; nếu dư không khí tạo ra CuO màu đen

4𝐶𝑢 + 𝑂2 → 2𝐶𝑢𝑡𝑜 2𝑂 2𝐶𝑢 + 𝑂2→ 𝐶𝑢𝑂 𝑡𝑜Trong không khí khô Cu không bị biến đổi, nhưng trong không khí ẩm có chứa khí CO2 thì Cu bị bao phủ một lớp mỏng màu xanh của muối cacbonat bazơ

Cu2(OH)2CO3

Cu phản ứng trực tiếp với lưu huỳnh Khi nung hỗn hợp bột mịn Cu và S (cả khi nén ở áp suất cao) tạo ra Cu2S, đồng thời cũng tạo ra CuS:

2𝐶𝑢 + 𝑆𝑡→ 𝐶𝑢𝑜𝑐𝑎𝑜 2𝑆

𝐶𝑢 + 𝑆𝑡→ 𝐶𝑢𝑆 𝑜𝑐𝑎𝑜

Cu cũng hóa hợp trực tiếp với Se, Te khi nung các đơn chất trong ampun hàn kín Thành phần của các hợp chất tạo thành khá phức tạp, trong đó có Cu2Se; CuSe,

Cu2Te là đơn giản hơn cả

Cu phản ứng với các halogen dễ dàng hơn các nguyên tố khác Cu hóa hợp với flo tạo ra CuF2 ngay cả ở nhiệt độ thường, tuy nhiên tác dụng đó bị hạn chế do tạo ra lớp hợp chất florua che phủ, làm cho kim loại không tiếp tục bị tác dụng nữa Do đó trong thực tế Cu rất bền đối với flo (khi không có mặt của H2O)

Khi cho khí clo qua Cu nung nóng tạo ra muối clorua CuCl2

𝐶𝑢 + 𝐶𝑙2→ 𝐶𝑢𝐶𝑙𝑡𝑜 2Nitơ không phản ứng trực tiếp với Cu nhưng photpho thì có phản ứng trực tiếp với Cu ở nhiệt độ cao tạo ra Cu3P:

3𝐶𝑢 + 𝑃→ 𝐶𝑢𝑡𝑜 3𝑃 Khi nung Cu với Si ở nhiệt độ cao thì có phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm như

Cu6Si, Cu5Si, Cu4Si, Cu3Si, , Cu15Si4