Xử lý xyanua bằng phương pháp sinh học

Các quy trình xử lý xyanua bằng phương pháp sinh học là quá trình sử dụng các vi sinh vật như vi khuẩn, tảo... để phân hủy các chất hữu cơ, khoáng chất và các hợp chất của chúng trong nước thải, vi sinh vật sẽ phân hủy và tiêu thụ các chất có trong nước thải để lấy năng lượng và các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình trao đổi chất của chúng.

Phương pháp này được sử dụng để xử lý dung dịch gạn, hoặc trong một số trường hợp có thể xử lý các dung dịch, nhưng thường không thích hợp để xử lý chất thải trực tiếp. Có thể vận dụng các quá trình: hiếu khí, kỵ khí, tăng trưởng và tăng trưởng lơ lững để xử lý xyanua.

● Quá trình hiếu khí và kỵ khí

Trong quá trình hiếu khí, xyanua, thiocyanate, nitrit và amoni bị oxy hóa thành nitrat. Trong khi đó, với quá trình kỵ khí, xyanua, thiocyanate, nitrit và amoni bị oxy hóa thành nitrat, sau đó nitrat và nitrit được loại bỏ dưới dạng khí nitơ. Với cả hai quá trình hiếu khí và kỵ khí, các kim loại có thể được loại bỏ thông qua sự hấp thụ hoặc kết tủa sinh khối dưới dạng cacbonat, hydroxit hoặc sunfua kim loại.

● Quá trình sinh học tăng trưởng

Đối với quá trình sinh học tăng trưởng (Attached-growth biological process), các vi sinh vật được bám và phát triển trên môi trường rắn cố định là bề mặt của một vật liệu nào đó. Theo định kỳ, sinh khối bong ra khỏi vật liệu và bị cuốn theo dòng nước thải.

− Trickling filters: Sử dụng các vật liệu như đá, nhựa hay plastic làm bề mặt cho vi sinh vật bám vào. Nước thải được phun lên bề mặt này.

− Rotating biological contactors: Sử dụng các đĩa quay chứa vật liệu lưới để vi sinh vật bám vào. Khi đĩa quay, chúng tiếp xúc với không khí và nước thải.

− Moving bed biofilm reactors (MBBR): Sử dụng các vật liệu nhựa di động làm nền cho vi sinh vật.

● Quá trình sinh học tăng trưởng − lơ lững

Trong quá trình sinh học tăng trưởng - lơ lững (Suspended-growth biological process), sinh khối được tồn tại trong hệ thống bùn lơ lững, tương tự như huyền phù bùn, không bị gắn vào bề mặt nào. Nước thải được bơm vào bể phản ứng chứa vi sinh vật, chúng sẽ phân hủy các chất trong nước thải. Sinh khối chất thải được loại bỏ dưới dạng dòng chảy từ bể lắng.

Phản ứng oxy hóa xyanua bằng tác nhân sinh học

● Phản ứng oxy hóa xyanua

2CN^- + O₂ + 6H₂O → 2HCO₃^- + 2NH₄⁺ + 2OH^-

Trong phản ứng này, xyanua bị oxy hóa thành amoni theo tỷ lệ khoảng 1g xyanua sẽ tạo thành 0,54g amoni.

Nhu cầu oxy cần thiết cho phản ứng oxy hóa trên là khoảng 0,62g tương ứng cho mỗi gam xyanua bị oxy hóa, trong khi đó sinh khối được sản sinh ra trong quá trình phản ứng này là khoảng 0,05 – 0,1g trên 1g xyanua bị oxy hóa. Như vậy, quá trình oxy hóa xyanua là một quá trình hấp thụ nhiều oxy để chuyển hóa được xyanua độc hại thành các chất ít độc hơn.

Các hợp chất ổn định của xyanua với sắt không bị oxy hóa trong quá trình này, mặc dù một tỷ lệ thấp chúng có thể được hấp phụ vào sinh khối.

● Phản ứng oxy hóa thioxyanat:

SCN^- + 2O₂ + 3H₂O → HCO₃^- + NH₄⁺ + SO₄^2- + H⁺

Trong phản ứng này, thioxyanat bị oxy hóa thành amoni và sulfat, tương ứng mỗi gam thioxyanat bị oxy hóa cần khoảng 1,1g oxy, tạo thành khoảng 0,24g amoni và lượng sinh khối là khoảng 0,08g.

● Phản ứng oxy hóa amoni

Amoni được tạo ra bởi quá trình oxy hóa xyanua và thioxyanat tiếp tục bị oxy hóa trong quá trình sinh học hiếu khí. Sản phẩm cuối cùng của phản ứng nitrat hóa này là nitrat theo phản ứng sau:

NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃^- + 2H⁺ + H₂O

Trong phản ứng này, cứ mỗi gam amoni (dưới dạng N) bị oxy hóa thì 1g nitrat (dưới dạng N) được tạo thành. Nhu cầu oxy cho phản ứng này là khoảng 4,57 g trên mỗi gam amoni bị oxy hóa (dưới dạng N), trong khi sản lượng sinh khối là khoảng 0,17 g trên mỗi gam amoniac bị oxy hóa.

● Phản ứng oxy hóa nitrit

Nitrit cũng bị oxy hóa trong điều kiện hiếu khí theo phản ứng sau:

NO₂^- + O₂ → 2NO₃^-

Nhu cầu oxy cho phản ứng này là khoảng 1,14 g trên mỗi gam nitrit (dưới dạng N) bị oxy hóa, với lượng sinh khối tạo ra ở mức tối thiểu.

Quá trình oxy hóa sinh học của xyanua, thiocyanate, amoni và nitrit xảy ra đồng thời trong các hệ thống hiếu khí, với phản ứng thiocyanate diễn ra nhanh hơn và ít nhạy cảm hơn với nhiệt độ.

● Phản ứng phân hủy nitrat

Sau quá trình xử lý hiếu khí, quá trình khử nitơ kỵ khí (hoặc thiếu khí) thường được sử dụng để loại bỏ nitrat và nitrit dư dưới dạng khí nitơ:

6NO₃^- + 5CH₃OH → 2N₂ + 5HCO₃^- + 7H₂O + OH^-

Nitrat được chuyển thành khí nitơ trơ trong quá trình này (khí nitơ là thành phần chính của không khí trong khí quyển). Tổng cộng lượng bùn sinh ra trong phản ứng này là khoảng 0,55g ứng với 1g nitrat được loại bỏ. Metanol (CH₃OH) thường được sử dụng làm nguồn cacbon hữu cơ trong quá trình này.

Ưu điểm chính của xử lý sinh học là khả năng loại bỏ đồng thời một số hợp chất trong một quy trình duy nhất, thường với chi phí thấp hơn nhiều so với các quy trình xử lý khác. Ngoài ra, nước thải chất lượng cao có thể được tạo ra bằng các quy trình xử lý sinh học, thường có chất lượng phù hợp để xả trực tiếp vào nước mặt.

Như vậy, phương pháp sinh học là một giải pháp hiệu quả và phổ biến để loại bỏ xyanua khỏi nước thải công nghiệp. Tuy nhiên, tùy theo hàm lượng xyanua ban đầu, dạng tồn tại của chúng thì trong một số trường hợp cũng cần phải kết hợp đồng thời với các phương pháp xử lý khác để đảm bảo loại bỏ triệt để xyanua và đạt tiêu chuẩn nước thải trước khi xả ra môi trường.

Tài liêu tham khảo:

M.M. Botz, Cyanide treatment: Physical, Chemical, and Biological Processes, Gold Ore Processing, p. 619-645, 2016.

Yeon-Hoon Jung, Treatment Characteristics of Plating Wastwater Containing Free cyanide, Cyanide Complexes and Heavy Metals (I), Journal of Korean Society on Water Quality, Vol. 25, No. 6, p. 979-983, 2009.