Những phương pháp xử lý nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng hiệu quả

Kim loại nặng là những kim loại có khối lượng riêng >5g/cm3 như thủy ngân Hg, cadimi Cd, chì Pb, Asen As, Thiếc Sn, Crom Cr, đồng Cu, kẽm Zn, mangan Mn, v.v... thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của các thể sinh vật và tích lũy trong cơ thể chúng. Do độ hòa tan trong nước của các kim loại này cao nên chúng có thể hấp thụ tốt vào cơ thể sinh vật, nếu sự tích lũy diễn ra với nồng độ cao và vượt quá giới hạn cho phép có thể gây ra nhiễm độc và tổn hại trầm trọng đến cơ thể sinh vật.

Các kim loại nặng đều được tìm thấy tự nhiên trên Trái Đất, và hiện nay sự tích lũy nồng độ cao của chúng đang dần hình thành với số lượng lớn do các hoạt động chung của con người đến từ công nghiệp khai khoáng mỏ, nguồn thải từ các nhà máy khu công nghiệp, các chế phẩm công nông nghiệp.

 Hình 1 : Chu trình đường đi của kim loại nặng trong tự nhiên.

Nguyên nhân dẫn đến nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng là gì?

Kim loại nặng khi có nồng độ vượt quá 5g/cm3 sẽ là yếu tố ảnh hưởng nguy hiểm đến môi trường nói chung và sức khỏe con người nói riêng bao gồm như suy giảm sự tăng trưởng và phát triển của cơ thể, tổn thương hệ thần kinh cũng như các cơ quan, ung thư hay trong trường hợp cực đoan có thể dẫn đến tử vong. Trẻ em có thể bị hấp thụ kim loại nặng từ thực phẩm cao hơn người lớn do nhu cầu tiêu thụ thức ăn cho cơ thể trẻ em lớn hơn. Các kim loại nặng có thể liên kết các thành phần tế bào quan trọng, như các protein cấu tạo, các enzyme, và các axit nucleic và can thiệp vào chức năng của chúng. Triệu chứng và hiệu quả của việc nhiễm độc kim loại nặng có thể khác nhau tùy theo hợp chất kim loại hoặc kim loại, và liều lượng thời gian tích lũy nhưng kết quả cuối cùng là ảnh hưởng nghiêm trọng tới hệ thần kinh trung ương và ngoại biên, hệ thống tuần hoàn hay cấu trúc cơ thể.

Hình 2 : Một số biểu hiện khi nhiễm độc kim loại nặng

Các quy định về nồng độ kim loại nặng trong nước đã được thiết lập để giảm thiểu tối đa sự phơi nhiễm của con người và môi trường. Đó là quy định về loại cũng như nồng độ giới hạn tối đa cho phép của kim loại nặng có mặt trong nước.

Hình 3 : Bảng giới hạn nồng độ kim loại nặng tối đa theo cơ quan bảo vệ môi sinh Hoa Kỳ

Hầu hết việc ô nhiễm kim loại nặng hiện nay đến từ ngành công nghiệp hiện đại và nước thải chứa số lượng lớn chất thải kim loại nặng có thể được sản xuất từ nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Quá trình mạ điện và xử lý bề mặt kim loại tạo ra một lượng đáng kể các chất thải chứa các kim loại nặng như Cd, Zn, Pb, Cr, Ni, Cu,… Ngoài ra một số nguồn chất thải kim loại đáng kể khác như : sản xuất mạch in ( thiếc, chì, niken,...), chế biến gỗ (Cu, As, Cr,...), sản xuất chất màu vô cơ (Cr, Cd,...), chế biến dầu mỏ (Ni, Cr,...)

Những phương pháp xử lý nguồn nước bị nhiễm kim loại nặng hiệu quả

Hiện nay do sự phát triển về kinh tế, kéo theo là sự gia tăng dân số nên số lượng khí thải và nước thải ngày càng bị ô nhiễm bởi các kim loại nặng từ công nghiệp và giao thông vận tải. Các kim loại nặng nói chung lại khó loại bỏ bằng các phương pháp xử lý nước thải thông thường và nếu chúng xâm nhập vào các nguồn nước sinh hoạt ở mức độ cao hơn giới hạn cho phép sẽ là nguồn gốc của các bệnh hiểm nghèo.

Gần đây nhiều phương pháp xử lý kim loại nặng đã được nghiên cứu và phát triển với mục tiêu chi phí thấp, hiệu quả cao đồng thời giảm lượng nước thải và cải thiện chất lượng xử lý.

Trong những năm gần đây, phương pháp hấp phụ đã trở thành một trong những biện pháp xử lý hiệu quả, việc tìm kiếm các chất hấp phụ kim loại nặng có chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo liên kết kim loại nặng đã tăng lên. Các chất hấp phụ có thể có nguồn gốc khoáng chất, hữu cơ (vật liệu polime), sản phẩm phụ nông nghiệp, chất thải nông nghiệp, sinh học (sinh khối). Ngoài ra phương pháp lọc màng cũng ngày càng được sử dụng phổ biến do sự hoạt động đơn giản và hiệu quả như : màng siêu lọc UF, màng lọc nano NF, thẩm thấu ngược RO; phương pháp điện phân, xử lý xúc tác quang học cũng là những kỹ thuật sáng tạo và có triển vọng trong công cuộc giảm nồng độ các kim loại nặng trong nước ở mức độ xử lý công nghiệp.

Mặc dù có nhiều kỹ thuật có thể áp dụng trong việc xử lý hiệu quả sự ô nhiễm kim loại nặng tuy nhiên với phương án xử lý cho nguồn nước gia đình chúng ta sẽ tìm hiểu một số cách cho phù hợp với nguồn nước hay điều kiện kinh tế, nhu cầu sử dụng riêng. Dưới đây là ba phương pháp phổ biến nhất hiện nay trong xử lý kim loại nặng.

Phương pháp kết tủa hóa học

Cơ chế của phương pháp này chính là việc bổ sung các hóa chất để làm kết tủa các ion kim loại hòa tan trong nước sau đó loại bỏ chúng bằng hình thức lắng cặn hoặc lọc.

Kết tủa hóa học được sử dụng rộng rãi nhất là kết tủa hydroxit. Đối với các ion kim loại nặng có thể dựa vào tính chất hydroxit của chúng không tan trong nước để sử dụng các dung dịch kiềm như NaOH, Ca(OH)₂, nâng pH để thu được kết tủa dạng hydroxit.

Mⁿ⁺ + nNaOH →  M(OH)_n ↓ + nNa⁺

2Mⁿ⁺ + nCa(OH)₂ →  2M(OH)_n ↓ + nCa²⁺

*M là ion kim loại nặng

Trong quá trình kết tủa hydroxit, bổ sung chất kết dính như phèn, muối sắt, polime hữu cơ có thể làm tăng khả năng loại bỏ các kim loại nặng và mỗi kết tủa hydroxit kim loại sẽ có độ lắng đọng cực đại ở dải pH khác nhau.

* Ưu điểm:

 - Đơn giản, dễ sử dụng với nguồn nguyên liệu dễ kiếm

 - Xử lý được nhiều kim loại cùng lúc với hiệu quả xử lý cao.

* Nhược điểm:

 - Tạo ra lượng chất kết tủa thải sau khi lắng cặn

 - Khó điều chỉnh pH trong nước khi dùng tác nhân kết tủa là dung dịch kiềm.

 - Không xử lý triệt để khi nồng độ kim loại quá cao.

 - Giảm hiệu quả xử lý khi có mặt tác nhân tạo phức với hydroxit trong nguồn nước xử lý

Ngoài ra dựa vào đặc tính muối không tan của các kim loại nặng, có thể xử lý bằng cách kết tủa muối sunfua tuy nhiên nguy cơ tiềm ẩn của phương pháp này chính là thực hiện kết tủa ở môi trường axit và dễ dẫn đến sự hình thành khí độc H₂S. Hơn nữa phương pháp kết tủa muối sunfua kim loại còn có xu hướng hình thành dạng keo tụ gây khó khăn cho vấn đề lắng đọng tách cặn sau đó.

Phương pháp hấp phụ

Sự hấp phụ hiện nay được công nhận là một phương pháp đạt  hiệu quả cao và tính kinh tế trong xử lý nước nhiễm kim loại nặng. Trong xử lý nước, hấp phụ là quá trình hút chất hòa tan lên bề mặt xốp. Vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như : than hoạt tính, cát mangan, zeolit, laterit, đá ong, chất hấp phụ hữu cơ, chất hấp phụ sinh học,…

Cơ chế chung của hấp phụ là sự tương tác nhờ lúc hút tĩnh điện giữa ion kim loại nặng với  các tâm hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ (hấp phụ vật lý) hay là sự liên kết thông qua phản ứng hóa học giữa ion kim loại nặng và các nhóm chức của tâm hấp phụ (hấp phụ hóa học)

*Ưu điểm:

 - Xử lý hiệu quả kim loại nặng ở nồng độ thấp và có tính chọn lọc cao.

 - Đơn giản, dễ sử dụng với nguồn nguyên liệu đa dạng

* Nhược điểm:

 - Chi phí xử lý cao.

 - Định kỳ thay thế hoặc thực hiện tái sinh vật liệu hấp phụ.

Phương pháp lọc màng

Hiện nay công nghệ lọc màng đã được ứng dụng rất phổ biến trong ngành xử lý nước với các loại màng khác nhau cho thấy rất nhiều hứa hẹn cho việc loại bỏ kim loại nặng vì hiệu quả cao, vận hành dễ dàng và tiết kiệm không gian. Các loại màng được sử dụng để loại bỏ kim loại khỏi nước thải là siêu lọc UF, công nghệ lọc nano NF, thẩm thấu ngược RO, điện thẩm tách,… Sau đây là giới thiệu sơ bộ về một số loại màng lọc:

- Màng siêu lọc UF( Ultra Filtration) là màng siêu lọc sợi rỗng thẩm thấu với kích thước lỗ màng từ 0,1~0,001µm do vậy chủ yếu ngăn lại virus, vi khuẩn, bụi, hydroxit kim loại, chất keo, nhũ tương, chất rắn lơ lửng…

 - Lọc nano NF công nghệ lọc cho phép loại bỏ các vật thể có kích thước từ 0,001- 0,01 µm trở lên ra khỏi nước, ngoài ra vật liệu NF có thể phản ứng với các chất trên bề mặt, hấp phụ, hấp thụ các chất hóa học.

 - Lọc thẩm thấu ngược RO là công nghệ lọc cho phép loại bỏ các vật thể có kích thước từ 0,0005µm trở lên ra khỏi dung dịch. Áp suất làm việc từ 2-70 bar. Công nghệ RO loại bỏ đến hơn 99 % các muối hòa tan, ion kim loại theo lý thuyết chỉ có phân tử nước có kích thước khoảng 0,0002µm có thể đi qua màng RO

Hình 5 : So sánh các phương pháp lọc màng

Dựa vào tính chất cũng như đặc điểm của mỗi phương pháp lọc, có thể thấy rằng hiện nay công nghệ lọc thẩm thấu ngược RO đang có khả năng loại bỏ cao kim loại nặng trong nước hơn các loại màng lọc khác.

Tuy nhiên mỗi loại màng lọc đều có ưu nhược điểm riêng, việc sử dụng hợp lý loại màng lọc cho từng nguồn nước phụ thuộc vào từng điều kiện xử lý cụ thể.

Hình 6 : Bảng so sánh các loại màng lọc

Ngoài các phương pháp phổ biến trên, hiện nay còn có nhiều các phương pháp xử lý kim loại nặng khác được sử dụng như : trao đổi ion, điện phân, điện thẩm tách, đông và kết tụ, tuyển nổi :

- Trao đổi ion đã được ứng dụng rộng rãi để loại bỏ kim loại nặng từ nguồn nước. Tuy nhiên, nhựa trao đổi ion phải được tái sinh bằng hóa chất và quá trình tái tạo có thể gây ô nhiễm thứ cấp nghiêm trọng. Và chi phí tốn kém cũng là một nhược điểm của phương pháp này, đặc biệt là khi xử lý một lượng lớn nước có chứa kim loại nặng ở nồng độ thấp.

 - Sử dụng phương pháp xử lý nước nhiễm kim loại nặng bằng cách đông kết tụ có đặc điểm làm lắng cặn bùn và làm sạch nước tốt. Tuy nhiên, phương pháp này liên quan đến việc tiêu thụ hóa chất và tạo ra khối lượng bùn thải.

 - Tuyển nổi là biện pháp cung cấp một số ưu điểm hơn so với các phương pháp thông thường như chọn lọc kim loại cao, hiệu quả loại bỏ cao, chi phí vận hành thấp và sản xuất bùn đậm đặc nhưng những bất lợi liên quan đến chi phí đầu tư ban đầu cao, chi phí bảo trì vận hành cao và phù hợp với công suất xử lý nguồn nước quy mô công nghiệp.

 - Kỹ thuật xử lý nước bằng phương pháp điện phân, điện thẩm tách có ưu điểm nhanh chóng và được kiểm soát tốt đòi hỏi phải có ít hóa chất hơn, giảm năng suất và sản sinh ít bùn hơn. Tuy nhiên, các công nghệ điện hóa liên quan đến đầu tư vốn ban đầu cao và cung cấp điện đắt tiền, điều này hạn chế sự phát triển của nó.

Mặc dù các phương pháp này đều thể sử dụng cho việc xử lý nước nhiễm kim loại nặng tuy nhiên việc lựa chọn phương pháp nào hợp lý hoàn toàn phụ thuộc vào nồng độ kim loại nặng trong nước, thành phần nước, chi phí đầu tư và vận hành, sự tác động đến môi trường và điều kiện thực hiện.

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước đang là một trong những vấn đề quan trọng nhất trên thế giới khi liên quan trực tiếp đến sức khỏe con người. Để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt hiện nay về môi trường cũng như sức khỏe, rất nhiều phương pháp xử lý nước nhiễm kim loại nặng đã được đưa ra để giải quyết và loại bỏ hoàn toàn . Trong đó các biện pháp kết tủa hóa học, hấp phụ trao đổi ion, lọc màng là nghiên cứu và được ứng dụng thường xuyên nhất hiện nay đặc biệt là phương pháp lọc màng thẩm thấu ngược RO với những ưu điểm vượt trội.

Tùy vào nguồn nước cũng như nhu cầu và mối lo ngại về sức khỏe, hãy lựa chọn phương pháp đơn giản, an toàn, tiết kiệm và hiệu quả nhất cho nguồn nước của gia đình.