Ô nhiễm kim loại nặng đe dọa sự tồn vong của nhân loại như thế nào?
- OFREZH EDITOR
- 26 thg 6
- 32 phút đọc
Tóm tắt
Môi trường và các ngăn của nó đã bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi kim loại nặng. Điều này đã làm suy yếu khả năng nuôi dưỡng sự sống và tạo ra các giá trị nội tại của môi trường. Kim loại nặng được biết đến là hợp chất tự nhiên, nhưng các hoạt động của con người đưa chúng vào với số lượng lớn trong các ngăn môi trường khác nhau. Điều này dẫn đến khả năng nuôi dưỡng sự sống của môi trường bị giảm đi khi sức khỏe của con người, động vật và thực vật bị đe dọa. Điều này xảy ra do sự tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn do trạng thái không phân hủy của kim loại nặng. Việc khắc phục kim loại nặng đòi hỏi sự chú ý đặc biệt để bảo vệ chất lượng đất, chất lượng không khí, chất lượng nước, sức khỏe con người, sức khỏe động vật và tất cả các lĩnh vực như một bộ sưu tập. Các công nghệ khắc phục kim loại nặng vật lý và hóa học đã phát triển đòi hỏi chi phí cao, không khả thi, tốn thời gian và thải thêm chất thải ra môi trường. Chương này tóm tắt các vấn đề liên quan đến ô nhiễm kim loại nặng và các công nghệ khắc phục khác nhau. Một nghiên cứu điển hình tại các mỏ ở Nam Phi cũng đã được sử dụng.
1. Môi trường
Môi trường có thể được đề cập đến môi trường xung quanh mà con người tồn tại. Chúng bao gồm: đất, nước và bầu khí quyển của trái đất; vi sinh vật, thực vật và động vật; bất kỳ phần nào hoặc sự kết hợp nào của hai mục đầu tiên trong danh sách này và mối quan hệ giữa chúng và các đặc tính và điều kiện vật lý, hóa học, thẩm mỹ và văn hóa của những điều nêu trên ảnh hưởng đến sức khỏe và hạnh phúc của con người. Nó cũng được đặc trưng bởi một số phạm vi ảnh hưởng đến hành vi và giá trị nội tại của nó. Phạm vi quan trọng nhất của môi trường là sinh quyển vì nó chứa các sinh vật sống. Đây là phạm vi mà bạn tìm thấy các sinh vật sống (thực vật và động vật) tương tác với nhau và môi trường vô tri của chúng (đất, không khí và nước). Vào những thế kỷ cuối, công nghiệp hóa và toàn cầu hóa đã làm suy yếu các môi trường nguyên sơ và khả năng nuôi dưỡng sự sống của chúng. Điều này đã đưa vào các thành phần làm tổn hại đến hoạt động toàn diện của môi trường và các giá trị nội tại của nó [ 1 ].
1.1. Ô nhiễm môi trường
Môi trường có thể bị ô nhiễm hoặc bị nhiễm bẩn. Ô nhiễm khác với nhiễm bẩn; tuy nhiên, chất gây ô nhiễm có thể là chất gây ô nhiễm và gây ra tác động bất lợi đến môi trường. Theo tài liệu, ô nhiễm được định nghĩa là sự đưa trực tiếp hoặc gián tiếp của con người vào môi trường, gây ra những tác động có hại như gây hại cho tài nguyên sống, nguy hiểm cho sức khỏe con người, cản trở các hoạt động môi trường và làm giảm chất lượng sử dụng môi trường và giảm các tiện nghi. Mặt khác, ô nhiễm là sự hiện diện của nồng độ chất cao trong môi trường trên mức nền tự nhiên đối với khu vực và đối với sinh vật. Ô nhiễm môi trường có thể được chỉ đến sự thay đổi không mong muốn và không mong muốn về các đặc điểm vật lý, hóa học và sinh học của không khí, nước và đất gây hại cho các sinh vật sống - cả động vật và thực vật. Ô nhiễm có thể ở dạng các chất hóa học hoặc năng lượng, chẳng hạn như tiếng ồn, nhiệt hoặc ánh sáng [ 2 ].
Các chất gây ô nhiễm, các thành phần gây ô nhiễm, có thể là các chất/năng lượng lạ hoặc các chất gây ô nhiễm có sẵn trong tự nhiên.
1.1.1. Các loại chất ô nhiễm
Các chất ô nhiễm môi trường tiếp tục là mối quan tâm của thế giới và là một trong những thách thức lớn mà xã hội toàn cầu phải đối mặt. Các chất ô nhiễm có thể là hợp chất tự nhiên hoặc vật chất lạ khi tiếp xúc với môi trường sẽ gây ra những thay đổi bất lợi. Có nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau, cụ thể là vô cơ, hữu cơ và sinh học. Bất kể các chất ô nhiễm thuộc các loại khác nhau, tất cả chúng đều nhận được sự quan tâm đáng kể do những tác động mà chúng gây ra cho môi trường. Mối quan hệ giữa ô nhiễm môi trường và dân số thế giới đã trở thành mối quan hệ tỷ lệ thuận không thể chối cãi vì có thể thấy rằng lượng các chất có khả năng gây độc hại thải ra môi trường đang tăng lên cùng với sự gia tăng đáng báo động của dân số toàn cầu. Vấn đề này đã dẫn đến ô nhiễm trở thành một vấn đề đáng kể mà môi trường phải đối mặt.
1.1.1.1. Các chất ô nhiễm vô cơ
Chất thải công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt góp phần gây ô nhiễm môi trường, gây hại cho sức khỏe con người và động vật. Từ những nguồn như vậy, các chất ô nhiễm vô cơ được giải phóng. Các chất ô nhiễm vô cơ thường là các chất có nguồn gốc khoáng sản, ví dụ như kim loại, muối và khoáng chất [ 2 ]. Các nghiên cứu đã báo cáo rằng các chất ô nhiễm vô cơ là vật liệu có sẵn trong tự nhiên nhưng đã bị con người biến đổi để tăng số lượng trong môi trường. Các chất vô cơ xâm nhập vào môi trường thông qua các hoạt động nhân sinh khác nhau như thoát nước mỏ, luyện kim, các quá trình luyện kim và hóa học, cũng như các quá trình tự nhiên. Các chất ô nhiễm này có độc do tích tụ trong chuỗi thức ăn [ 3 ].
1.1.1.2. Chất ô nhiễm hữu cơ
Ô nhiễm hữu cơ có thể được định nghĩa ngắn gọn là các chất gây ô nhiễm có thể phân hủy sinh học trong môi trường. Các nguồn ô nhiễm này được tìm thấy và gây ra một cách tự nhiên bởi môi trường, nhưng hoạt động của con người cũng góp phần vào việc sản xuất chúng một cách chuyên sâu để đáp ứng nhu cầu của con người. Một số chất gây ô nhiễm hữu cơ phổ biến được ghi nhận là đáng quan tâm đặc biệt là chất thải của con người, chất thải thực phẩm, polychlorinated biphenyls (PCB), polybrominated diphenyl ethers (PBDE), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), thuốc trừ sâu, dầu mỏ và thuốc trừ sâu organochlorine (OCP) [ 4 ].
Các chất ô nhiễm hữu cơ đã thu hút sự chú ý vì chúng đã trở thành một vấn đề lớn trong môi trường. Các đặc tính của chất ô nhiễm hữu cơ, trong số những đặc tính khác, chẳng hạn như độ hòa tan lipid cao, tính ổn định, tính ưa mỡ và tính kỵ nước gần đây đã khiến các chất ô nhiễm hữu cơ được gọi là bền vững. Các đặc tính này giúp các chất ô nhiễm hữu cơ có khả năng tích tụ sinh học dễ dàng trong các lĩnh vực khác nhau của môi trường, do đó gây ra các tác động độc hại [ 5 , 6 ].
1.1.1.3. Chất ô nhiễm sinh học
Các chất ô nhiễm sinh học được mô tả là các chất ô nhiễm tồn tại do các hành động và tác động của con người đến chất lượng môi trường nước và trên cạn. Loại chất ô nhiễm này bao gồm vi khuẩn, vi-rút, nấm mốc, lông động vật và nước bọt mèo, bụi nhà, ve, gián và phấn hoa. Các nghiên cứu đã ghi nhận các nguồn khác nhau của các chất ô nhiễm này, bao gồm phấn hoa có nguồn gốc từ thực vật; vi-rút do người và động vật truyền; vi khuẩn do người, động vật và mảnh vụn đất và thực vật mang theo [ 7 ].
2. Kim loại nặng
Mặc dù không có định nghĩa cụ thể nào về kim loại nặng, nhưng tài liệu đã định nghĩa kim loại nặng là một nguyên tố tự nhiên có trọng lượng nguyên tử cao và mật độ cao gấp năm lần so với nước [ 8 ]. Trong số tất cả các chất gây ô nhiễm, kim loại nặng đã nhận được sự chú ý tối cao của các nhà hóa học môi trường do bản chất độc hại của chúng. Kim loại nặng thường có trong nước tự nhiên với lượng vết nhưng nhiều kim loại trong số chúng có độc ngay cả ở nồng độ rất thấp [ 9 ]. Các kim loại như asen, chì, cadmium, niken, thủy ngân, crom, coban, kẽm và selen có độc tính cao ngay cả ở lượng nhỏ. Hiện nay, lượng kim loại nặng ngày càng tăng trong các nguồn tài nguyên của chúng ta đang là vấn đề đáng quan tâm hơn, đặc biệt là khi một số lượng lớn các ngành công nghiệp đang xả nước thải có chứa kim loại vào nước ngọt mà không có bất kỳ biện pháp xử lý thích hợp nào [ 3 ].
Kim loại nặng trở nên độc hại khi chúng không được cơ thể chuyển hóa và tích tụ trong các mô mềm. Chúng có thể xâm nhập vào cơ thể con người thông qua thực phẩm, nước, không khí hoặc hấp thụ qua da khi chúng tiếp xúc với con người trong môi trường nông nghiệp, sản xuất, dược phẩm, công nghiệp hoặc dân cư. Phơi nhiễm công nghiệp là con đường phơi nhiễm phổ biến đối với người lớn. Ăn uống là con đường phơi nhiễm phổ biến nhất ở trẻ em. Các hoạt động tự nhiên và của con người đang làm ô nhiễm môi trường và các nguồn tài nguyên của nó, chúng thải ra nhiều hơn mức môi trường có thể xử lý [ 9 , 10 ] ( Hình 1 ).
Hình 1.
Nguồn và nơi chứa kim loại nặng [11].
2.1. Nguồn gốc của kim loại nặng
Kim loại nặng có thể phát sinh từ cả quá trình tự nhiên và nhân tạo và đi vào các ngăn môi trường khác nhau (đất, nước, không khí và giao diện của chúng) ( Hình 2 ).
Hình 2.
Nguồn gốc của kim loại nặng và chu trình của chúng trong môi trường [12].
2.1.1. Quá trình tự nhiên
Nhiều nghiên cứu đã ghi nhận các nguồn kim loại nặng tự nhiên khác nhau. Trong các điều kiện môi trường khác nhau và nhất định, sự phát thải kim loại nặng tự nhiên xảy ra. Các loại phát thải đó bao gồm phun trào núi lửa, hơi muối biển, cháy rừng, phong hóa đá, các nguồn sinh học và các hạt đất do gió mang theo. Các quá trình phong hóa tự nhiên có thể dẫn đến việc giải phóng kim loại từ các phạm vi đặc hữu của chúng đến các ngăn môi trường khác nhau. Kim loại nặng có thể được tìm thấy dưới dạng hydroxit, oxit, sunfua, sunfat, photphat, silicat và các hợp chất hữu cơ. Các kim loại nặng phổ biến nhất là chì (Pb), niken (Ni), crom (Cr), cadmium (Cd), asen (As), thủy ngân (Hg), kẽm (Zn) và đồng (Cu). Mặc dù các kim loại nặng đã đề cập ở trên có thể được tìm thấy ở dạng vết, nhưng chúng vẫn gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người và các loài động vật có vú khác [ 9 ].
2.1.2. Các quá trình nhân sinh
Các ngành công nghiệp, nông nghiệp, nước thải, khai thác mỏ và các quy trình luyện kim, và dòng chảy cũng dẫn đến việc giải phóng các chất ô nhiễm vào các ngăn môi trường khác nhau. Các quy trình nhân sinh của kim loại nặng đã được ghi nhận là vượt ra ngoài các dòng tự nhiên đối với một số kim loại. Các kim loại tự nhiên phát ra trong bụi do gió thổi chủ yếu là từ các khu công nghiệp. Một số nguồn nhân sinh quan trọng góp phần đáng kể vào ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường bao gồm khí thải ô tô thải ra chì; luyện kim thải ra asen, đồng và kẽm; thuốc trừ sâu thải ra asen và đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra niken, vanadi, thủy ngân, selen và thiếc. Các hoạt động của con người đã được phát hiện là góp phần nhiều hơn vào ô nhiễm môi trường do sản xuất hàng hóa hàng ngày để đáp ứng nhu cầu của dân số đông đảo [ 10 ].
2.2. Tác động của kim loại nặng đến môi trường
Sự hiện diện của kim loại nặng trong môi trường dẫn đến một số tác động tiêu cực. Những tác động như vậy ảnh hưởng đến tất cả các lĩnh vực của môi trường, tức là thủy quyển, thạch quyển, sinh quyển và khí quyển. Cho đến khi các tác động được giải quyết, các vấn đề về sức khỏe và tử vong sẽ bùng phát, cũng như sự xáo trộn của chuỗi thức ăn. Hình 3 tóm tắt các tác động của kim loại nặng đối với sức khỏe.
Hình 3.
Tác động của kim loại nặng đến môi trường [13].
2.3. Tác động của ô nhiễm kim loại nặng
Ô nhiễm kim loại nặng đang trở thành vấn đề nghiêm trọng đáng quan tâm trên toàn thế giới vì nó đã trở nên trầm trọng hơn do sự gia tăng sử dụng và chế biến kim loại nặng trong nhiều hoạt động khác nhau để đáp ứng nhu cầu của dân số đang tăng nhanh. Đất, nước và không khí là những thành phần môi trường chính bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm kim loại nặng.
2.3.1. Tác động đến đất
Khí thải từ các hoạt động và nguồn như hoạt động công nghiệp, chất thải từ mỏ, xử lý chất thải kim loại nặng, xăng và sơn có chì, bón phân cho đất, phân động vật, bùn thải, thuốc trừ sâu, tưới tiêu nước thải, chất thải từ quá trình đốt than và tràn hóa chất dầu mỏ dẫn đến ô nhiễm đất do kim loại nặng. Đất được ghi nhận là nơi chứa chính các kim loại nặng thải ra môi trường do các hoạt động nhân sinh nói trên. Hầu hết các kim loại nặng không bị phân hủy bởi vi khuẩn hoặc hóa học vì chúng không thể phân hủy và do đó, tổng nồng độ của chúng tồn tại trong một thời gian dài sau khi thải ra môi trường [ 5 , 14 ].
Sự hiện diện của kim loại nặng trong đất là một vấn đề nghiêm trọng do chúng tồn tại trong chuỗi thức ăn, do đó phá hủy toàn bộ hệ sinh thái. Mặc dù các chất ô nhiễm hữu cơ có thể phân hủy sinh học, nhưng tốc độ phân hủy sinh học của chúng giảm đi do sự hiện diện của kim loại nặng trong môi trường và điều này lại làm tăng gấp đôi ô nhiễm môi trường, tức là các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng hiện diện. Có nhiều cách khác nhau mà kim loại nặng gây ra rủi ro cho con người, động vật, thực vật và toàn bộ hệ sinh thái. Những cách đó bao gồm ăn trực tiếp, hấp thụ bởi thực vật, chuỗi thức ăn, tiêu thụ nước bị ô nhiễm và thay đổi độ pH của đất, độ xốp, màu sắc và hóa học tự nhiên của đất, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng đất [ 15 ].
2.3.2. Tác động đến nước
Mặc dù có nhiều nguồn gây ô nhiễm nước, công nghiệp hóa và đô thị hóa là hai trong số những thủ phạm gây ra mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nước ngày càng tăng. Kim loại nặng được vận chuyển qua dòng chảy từ các ngành công nghiệp, thành phố và khu vực đô thị. Hầu hết các kim loại này cuối cùng tích tụ trong đất và trầm tích của các vùng nước [ 15 ].
Kim loại nặng có thể được tìm thấy ở dạng vết trong nguồn nước và vẫn rất độc hại và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho con người và các hệ sinh thái khác. Điều này là do mức độ độc tính của kim loại phụ thuộc vào các yếu tố như sinh vật tiếp xúc với nó, bản chất của nó, vai trò sinh học của nó và thời kỳ mà các sinh vật tiếp xúc với kim loại. Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn tượng trưng cho mối quan hệ giữa các sinh vật. Do đó, ô nhiễm nước do kim loại nặng thực sự ảnh hưởng đến tất cả các sinh vật. Con người, một ví dụ về các sinh vật ăn ở mức cao nhất, dễ gặp các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng hơn vì nồng độ kim loại nặng tăng lên trong chuỗi thức ăn [ 16 ].
2.3.3. Tác động đến không khí
Công nghiệp hóa và đô thị hóa, do sự gia tăng dân số thế giới nhanh chóng, gần đây đã khiến ô nhiễm không khí trở thành một vấn đề môi trường lớn trên toàn thế giới. Ô nhiễm không khí được báo cáo là đã được đẩy nhanh bởi bụi và các hạt vật chất (PM), đặc biệt là các hạt mịn như PM 2.5 và PM 10 được giải phóng thông qua các quá trình tự nhiên và nhân tạo. Các quá trình tự nhiên giải phóng các hạt vật chất vào không khí bao gồm bão bụi, xói mòn đất, phun trào núi lửa và phong hóa đá, trong khi các hoạt động của con người liên quan nhiều hơn đến công nghiệp và giao thông vận tải [ 17 ].
Các hạt vật chất rất quan trọng và cần được chú ý đặc biệt vì chúng có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như kích ứng da và mắt, nhiễm trùng đường hô hấp, tử vong sớm và các bệnh tim mạch. Các chất ô nhiễm này cũng gây ra sự xuống cấp của cơ sở hạ tầng, ăn mòn, hình thành mưa axit, phú dưỡng và khói mù [ 9 ]. Trong số những thứ khác, các kim loại nặng như kim loại nhóm 1 (Cu, Cd, Pb), kim loại nhóm 2 (Cr, Mn, Ni, V và Zn) và kim loại nhóm 3 (Na, K, Ca, Ti, Al, Mg, Fe) có nguồn gốc từ các khu công nghiệp, giao thông và các nguồn tự nhiên [ 17 , 18 ].
2.4. Cơ chế xử lý kim loại nặng
Các quy trình xử lý nước mỏ axit thường tạo ra bùn có mật độ cao không đồng nhất do nhiều loại kim loại, á kim và thành phần anion, và điều này làm cho việc xử lý bùn trở nên khó khăn [ 19 ]. Do đó, các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc thu hồi các loài hóa học từ nước thải mỏ axit (AMD) và bùn thứ cấp. Điều này nhằm mục đích thu hồi các nguồn tài nguyên có giá trị và cũng cho phép xử lý bùn đã xử lý dễ dàng và an toàn hơn, do đó giảm thiểu dấu chân môi trường của chúng. Việc xử lý chất thải chứa kim loại vào bãi chôn lấp và ao/đống chứa chất thải dẫn đến ô nhiễm thứ cấp các nguồn nước mặt và nước ngầm. Nó cũng có thể dẫn đến ô nhiễm đất, do đó ảnh hưởng đến năng suất của chúng [ 19 ].
Để bảo vệ sức khỏe con người, thực vật, động vật, đất và tất cả các thành phần của môi trường, cần phải chú ý đúng mức và cẩn thận đến các công nghệ khắc phục kim loại nặng. Hầu hết các công nghệ khắc phục kim loại nặng bằng vật lý và hóa học đều đòi hỏi phải xử lý lượng lớn bùn, phá hủy các hệ sinh thái xung quanh và rất tốn kém [ 19 ] ( Hình 4 ).
Hình 4.
Cơ chế loại bỏ kim loại nặng [20].
2.4.1. Lượng mưa
Nhiều loại thuốc thử hóa học kiềm đã được sử dụng trong nhiều năm để trung hòa nước thải mỏ axit (AMD) nhằm tăng độ pH và do đó kết tủa và thu hồi kim loại. Các thuốc thử kiềm phổ biến nhất được sử dụng để thu hồi tuần tự các nguồn tài nguyên khoáng sản từ AMD là đá vôi (CaCO 3 ), xút ăn da (NaOH), tro soda (Na 2 CO 3 ) , vôi sống (CaO), vôi tôi (Ca(OH) 2 ) và magie hydroxit (Mg(OH) 2 ) [ 21 ]. Một số quy trình đã thu hồi kim loại ở các chế độ pH khác nhau ( Bảng 1 ) và tổng hợp các vật liệu có giá trị thương mại như bột màu và magnetit [ 22 ]. Một số khoáng chất được thu hồi và bán cho các ngành công nghiệp luyện kim, do đó bù đắp được chi phí xử lý [ 19 ].
Bảng 1.
giá trị pH mà kim loại trong AMD kết tủa [ 21 ].
2.4.2. Sự hấp thụ
Sự hấp phụ xảy ra khi một chất hấp phụ bám vào bề mặt của một chất hấp phụ. Do khả năng đảo ngược và giải hấp phụ, sự hấp phụ được coi là lựa chọn hiệu quả nhất và khả thi nhất về mặt kinh tế để loại bỏ kim loại khỏi dung dịch nước. Mặc dù hiệu quả, sự hấp phụ không hiệu quả với dung dịch rất cô đặc vì chất hấp phụ dễ bị bão hòa với chất hấp phụ. Nó chỉ khả thi đối với các dung dịch rất loãng, đòi hỏi nhiều công sức vì nó đòi hỏi phải tái sinh thường xuyên và nó không có tính chọn lọc về mặt làm suy yếu kim loại [ 21 ]. Do đó, sự hấp phụ không được áp dụng trong quá trình phục hồi kim loại trên quy mô lớn.
2.4.3. Trao đổi ion
Trao đổi ion là sự trao đổi các ion giữa hai hoặc nhiều dung dịch điện phân. Nó cũng có thể đề cập đến sự trao đổi các ion trên một chất nền rắn với dung dịch đất. Đất sét và nhựa có khả năng trao đổi cation cao thường được sử dụng để hấp thụ kim loại từ dung dịch nước. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều lao động và bị giới hạn ở nồng độ kim loại nhất định trong dung dịch. Hệ thống này cũng hoạt động ở nhiệt độ và độ pH cụ thể. Đất sét tự nhiên và tổng hợp, zeolit và nhựa tổng hợp đã được sử dụng để loại bỏ và làm suy yếu kim loại khỏi nước thải [ 19 , 23 ].
2.4.4. Hấp thụ sinh học
Hấp thụ sinh học là quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi hệ thống nước bằng vật liệu sinh học và bao gồm quá trình hấp thụ, hấp phụ, trao đổi ion, tạo phức bề mặt và kết tủa. Các chất hấp thụ sinh học có lợi thế về khả năng tiếp cận, hiệu quả và công suất. Quá trình này dễ dàng và sẵn có. Tái sinh dễ dàng, do đó rất thuận lợi. Tuy nhiên, khi nồng độ dung dịch cấp liệu rất cao, quá trình này dễ dàng đạt đến điểm đột phá, do đó hạn chế việc loại bỏ thêm chất ô nhiễm [ 24 ].
2.4.5. Công nghệ màng
Việc sử dụng công nghệ màng để thu hồi nước thải từ mỏ axit rất hiệu quả đối với nước có nồng độ chất ô nhiễm cao. Nó sử dụng hiện tượng gradient nồng độ hoặc ngược lại là thẩm thấu ngược. Có nhiều loại màng khác nhau được sử dụng để xử lý nước mỏ bao gồm: siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược, lọc vi mô và lọc hạt [ 19 , 25 , 26 ].
3. Nghiên cứu trường hợp về hệ thống thoát nước mỏ axit ở Nam Phi
Nam Phi được thiên nhiên ưu đãi với trữ lượng khoáng sản lớn và điều này đã gây ra sự phụ thuộc to lớn của nước này vào tài nguyên khoáng sản đối với tổng sản phẩm quốc nội và nền kinh tế. Tuy nhiên, di sản của khai thác than và vàng đã để lại những vấn đề nghiêm trọng về môi trường. Vấn đề chính là thoát nước axit từ mỏ. Thoát nước axit từ mỏ (AMD) được hình thành từ quá trình phong hóa thủy địa hóa của các loại đá chứa sulfua (pyrit, arsenopyrit và marcasit) khi tiếp xúc với nước và oxy [ 23 , 27 ]. Phản ứng này cũng được xúc tác bởi sắt (Fe) và các vi sinh vật oxy hóa lưu huỳnh [ 28 , 29 ]. Tóm lại, quá trình hình thành AMD có thể được tóm tắt như sau [ 19 , 23 , 30 , 31 ]:
Quá trình oxy hóa sunfua thành sunfat hòa tan sắt (Fe(II)), sau đó được oxy hóa thành sắt (Fe(III)):
Các phản ứng này có thể xảy ra tự phát hoặc có thể được xúc tác bởi các vi sinh vật (vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh và sắt) lấy năng lượng từ phản ứng oxy hóa [ 26 ]. Các cation sắt được tạo ra cũng có thể oxy hóa thêm pirit thành các ion sắt (II):
Hiệu ứng ròng của các phản ứng này là tạo ra H + và duy trì độ hòa tan của sắt III [ 32 ]. Do tính axit cao và nồng độ kim loại độc hại và nguy hiểm tăng cao, AMD đã trở thành vấn đề chính gây lo ngại về môi trường, gây ra mối quan tâm chung trên toàn cầu [ 33 ].
Việc xả nước thải chứa kim loại từ các hoạt động khai thác đã khiến môi trường không phù hợp để nuôi dưỡng sự sống [ 22 ]. Cần phải phát triển các phương pháp thực dụng để chống lại di sản khai thác này, vốn đang liên tục làm suy thoái môi trường và các nguồn tài nguyên quý giá của nó [ 21 ]. Các nghiên cứu và nghiên cứu thí điểm đã chỉ ra rằng các phương pháp chủ động và thụ động có thể được áp dụng thành công để xử lý nước thải axit của mỏ và loại bỏ các loài hóa chất có khả năng gây độc [ 23 , 31 ]. Sự hiện diện của Al, Fe, Mn và sulfat là mối quan tâm chính ngoài dấu vết của Cu, Ni, Pb và Zn [ 29 ]. Các á kim As và kim loại kiềm thổ (Ca và Mg) cũng có mặt ở mức đáng kể [ 33 ]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra tính khả thi của việc xử lý nước thải axit của mỏ ở mức chấp nhận được theo quy định của các hướng dẫn về chất lượng nước khác nhau, nhưng bùn thải thu được đã trở thành vấn đề gây lo ngại cho công chúng do bản chất phức tạp và không đồng nhất của nó chứa nhiều loài kim loại [ 23 , 34 ].
Dựa trên bằng chứng đó, các nghiên cứu đã được nhúng chặt chẽ vào việc thu hồi các khoáng chất có giá trị từ AMD [ 19 , 23 ]. Có một số cơ chế được sử dụng để thu hồi các thành phần hóa học từ AMD bao gồm: kết tủa [ 35 ], hấp phụ [ 36 ], hấp phụ sinh học [ 24 ], trao đổi ion [ 19 , 25 , 26 ], khử muối [ 37 ] và lọc màng [ 38 , 39 ]. Trong số các kỹ thuật đó, kết tủa là công nghệ đầy hứa hẹn do khả năng xử lý khối lượng nước lớn với liều lượng rất ít [ 35 ]. Hấp phụ và trao đổi ion có một thách thức là hiệu quả kém ở nồng độ cao và tốc độ bão hòa nhanh. Các công nghệ màng có vấn đề tạo ra nước muối gây ra một trách nhiệm môi trường khác. Khử muối có vấn đề tạo ra muối có tạp chất, do đó khiến chúng không phù hợp để sử dụng. Công nghệ khử muối bằng đông lạnh là công nghệ đầy hứa hẹn, nhưng chưa bao giờ được thử nghiệm trên quy mô lớn [ 19 , 23 , 34 ].
3.1. Tác động của kim loại nặng ở Nam Phi
Địa chất của Nam Phi rất giàu trữ lượng than và khoáng sản có chứa các kim loại quan trọng như vàng, bạch kim và đồng. Khối lượng lớn trữ lượng than và khoáng sản đã khiến khai thác trở thành xương sống trong quá trình phát triển và tăng trưởng của nền kinh tế đất nước. Điều này được chứng minh bằng số lượng lớn các mỏ được tìm thấy trên khắp đất nước. Tuy nhiên, khai thác đã được ghi nhận là gây ra những tác động có hại cho sức khỏe con người, sinh vật và môi trường nói chung, trong đó tài nguyên nước là nạn nhân phổ biến nhất của ô nhiễm [ 40 ].
Khai thác than và vàng để sử dụng đa phương làm phơi nhiễm pirit với các tác nhân oxy hóa. Sắt hydroxit và axit sunfuric là các loại hóa chất độc hại đối với các sinh vật sống khi được đưa vào nguồn nước (cả bề mặt và dưới lòng đất). Điều này làm suy giảm dạng tự nhiên của các khối nước và khả năng nuôi dưỡng sự sống của chúng. Nước thải từ mỏ axit có độ pH rất thấp, khoảng <1,4 đến >3 [ 41 , 42 ]; TDS, EC và các kim loại khác cao ở nồng độ độc hại. Các nghiên cứu trước đây đã ghi nhận các nồng độ sau trong AMD: độ axit <75 ppm đến >47.800; <3560 đến >41.700 SO42- ppm; <460 đến >12.270 ppm tổng Fe; <17.400 đến 37.700 μg/L Zn; <270 đến >13.000 μg/L Cu; <520 đến >1500 μg/L Co; <75 đến >360 μg/L Ni; <8 đến >30 μg/L Pb và 6 đến 30 μg/L Cd [ 41 , 42 , 43 , 44 ].
Tuy nhiên, nồng độ được đề cập ở trên phụ thuộc vào độ pH của AMD—nồng độ giảm khi độ pH tăng. Khi tiếp xúc với những điều kiện như vậy, tử vong và bệnh tật có nhiều khả năng xảy ra ở các sinh vật, cũng như các vấn đề sức khỏe khác [ 45 ]. Ngoài ra, AMD phá hủy hệ sinh thái của các sinh vật và cũng tác động tiêu cực đến nền kinh tế của đất nước. Kim loại nặng trong các mỏ đang hoạt động và bị bỏ hoang ở Nam Phi đã tác động đến cả nước mặt và nước ngầm.
3.2. Yêu cầu pháp lý về chất lượng nước
Đạo luật Quản lý Môi trường Quốc gia (NEMA) 108 năm 1998 quy định rằng mọi người đều có quyền sống trong một môi trường an toàn và không có khả năng gây ra bất kỳ tác động có hại nào đến sức khỏe của họ. Các yêu cầu của luật đối với nước thải công nghiệp chủ yếu được quản lý bởi Bộ phận Các vấn đề về Nước DWS Hướng dẫn Chất lượng Nước [ 46 ]. Mục đích này yêu cầu bất kỳ người nào sử dụng nước cho mục đích công nghiệp phải làm sạch hoặc xử lý nước đó theo các yêu cầu của DWA [ 41 , 46 , 47 , 48 ]. Các tiêu chí liên quan để xả nước có tính axit và giàu sunfat được đưa ra trong Bảng 2 .
Bảng 2.
Tiêu chí liên quan đến việc xả nước có tính axit và giàu sunfat so với hướng dẫn về chất lượng nước của DWS.
*Khai thác vàng AMD [ 44 ].
**Khai thác than AMD.
†Nước thoát trung tính [ 40 , 42 , 45 , 47 , 48 , 49 , 50 , 51 ].
Như thể hiện trong Bảng 2 , nước thải từ mỏ ở Nam Phi chủ yếu là Fe hòa tan, Al, Mn, Ca, Na, Mg và dấu vết của Cu, Co, Zn, Pb và Ni. Nồng độ này cao hơn nhiều so với yêu cầu pháp lý.
4. Tác hại của việc thoát nước mỏ axit đối với hệ sinh thái trên cạn và dưới nước
Việc đưa nước thải từ các hoạt động khai thác vào các dòng suối tiếp nhận có thể tác động nghiêm trọng đến các hệ sinh thái dưới nước thông qua việc phá hủy môi trường sống và làm suy giảm chất lượng nước. Điều này cuối cùng sẽ dẫn đến việc giảm đa dạng sinh học của một hệ sinh thái dưới nước nhất định và khả năng duy trì sự sống của hệ sinh thái đó. Mức độ nghiêm trọng và mức độ thiệt hại phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm tần suất dòng chảy, thể tích và thành phần hóa học của hệ thống thoát nước và khả năng đệm của dòng suối tiếp nhận [ 22 , 52 , 53 , 54 , 55 , 56 , 57 , 58 ].
4.1. Tính axit
Khi kim loại trong AMD bị thủy phân, chúng làm giảm độ pH của nước khiến sinh vật dưới nước không thích hợp để phát triển [ 52 ]. AMD có tính axit cao (pH 2–4) và điều này thúc đẩy quá trình hòa tan các kim loại độc hại [ 44 ]. Những loài độc hại đó gây ra tác động nguy hiểm cho sinh vật trên cạn và dưới nước [ 23 ]. Ngoài ra, nếu nước có tính axit cao, chỉ có các vi sinh vật ưa axit mới phát triển mạnh trên loại nước như vậy trong khi các sinh vật dưới nước còn lại di cư đến các vùng khác có lợi cho sự sống của chúng. Nhiều dòng suối bị ô nhiễm AMD phần lớn không có sự sống trong một chặng đường dài ở hạ lưu. Đối với một số sinh vật dưới nước, nếu phạm vi pH giảm xuống dưới phạm vi chịu đựng, khả năng tử vong là rất cao do suy hô hấp và điều hòa thẩm thấu. Điều kiện axit được chi phối bởi H + được hấp thụ và bơm Na ra khỏi cơ thể, điều này rất quan trọng trong việc điều chỉnh chất lỏng cơ thể [ 23 , 52 , 53 , 56 , 57 , 58 , 59 , 60 , 61 , 62 , 63 , 64 , 65 ].
4.2. Các loài hóa chất độc hại
Việc tiếp xúc của các sinh vật dưới nước và trên cạn với các kim loại và á kim có khả năng gây độc có thể gây ra những tác động tàn phá đối với các sinh vật sống [ 44 , 66 , 67 ]. Các loài hóa chất độc hại có trong AMD được báo cáo là độc hại đối với các sinh vật dưới nước và trên cạn. Chúng liên quan đến nhiều bệnh bao gồm cả ung thư. Một số loài hóa chất này có thể tích tụ và được khuếch đại sinh học trong các sinh vật sống, do đó đe dọa đến sự sống của các sinh vật dinh dưỡng cao hơn như chim [ 68 ]. Chì gây ra các rối loạn về máu, tổn thương thận, sảy thai và các rối loạn sinh sản và có liên quan đến nhiều loại ung thư. Việc tiếp xúc của các sinh vật sống với các loài hóa chất độc hại trong AMD cũng có thể dẫn đến buồn nôn, tiêu chảy, tổn thương gan và thận, viêm da, xuất huyết nội và các vấn đề về hô hấp. Các nghiên cứu dịch tễ học đã chỉ ra rằng nguy cơ mắc các bệnh ung thư phổi, bàng quang, da, gan và các bệnh ung thư khác tăng đáng kể khi tiếp xúc với các loài hóa chất này. Tác động của Al, Fe, Mn, Cu, Mg và Zn đối với sức khỏe của các sinh vật sống được tóm tắt trong Bảng 3 [ 44 , 56 , 67 ].
Comments