Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Báo cáo chuyên đề Công nghệ sinh học môi trường Ứng dụng công nghệ sinh học tron...

Tài liệu Báo cáo chuyên đề Công nghệ sinh học môi trường Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật

.DOCX
26
478
126

Mô tả:

GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN -------- BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ Công Nghệ Sinh Học Môi Trường Đề tài: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG XỬ LÍ KIM LOẠI NẶNG BẰNG VI SINH VẬT Nhóm 5: Đỗ Minh Quân ThángPhát 4 năm 2016 Phan Nguyễn Phạm Thái Sơn GVHD:ThS. Nguyễn ThịHữu Phương Anh Lê Thị Thùy Loan Nguyễn Thị Thanh Tâm 14163216 14163202 14163227 14163134 14163233 GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh MỤC LỤC A. ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................2 I. Tìm hiểu chung về kim loại nặng..............................................................3 1. Định nghĩa:..............................................................................................3 2. Nguồn gốc:...............................................................................................3 II. Cơ sở khoa học của phương pháp.............................................................5 1. Cơ sở khoa học chung.............................................................................5 2. Phương pháp sinh học............................................................................6 III. Cách tiếp cận phương pháp....................................................................10 IV. Ưu điểm, nhược điểm..............................................................................12 V. Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng việc kết hợp thực vật và vi sinh vật 13 1. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật.................................13 2. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng thực vật.....................................14 3. Mối quan hệ giữa thực vật và vi sinh vật............................................15 4. Một số công nghệ xử lí nước thải có chứa kim loại nặng bằng vi sinh vật 17 C. KẾT LUẬN.................................................................................................23 D. TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................24 1 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh A. ĐẶT VẤN ĐỀ  Như chúng ta đã biết, vấn đề về ô nhiễm kim loại nặng đang trở nên phổ biến trên thế giới. Trong tự nhiên, kim loại nặng tồn tại trong ba môi trường là môi trường khí, môi trường nước, môi trường đất. Trong công nghiệp, kim loại nặng được sử dụng rộng rãi trong một số hoạt động công nghiệp trên hầu hết các quốc gia. Kim loại nặng có thể được coi là nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng và súc vật và cũng được coi là chất độc khi tồn tại ở nồng độ vượt quá mức nhu cầu sử dụng của vi sinh vật.  Trong sự phát triển chung của nền kinh tế nước nhà, ngành công nghiệp đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, mặt trái của sự phát triển này chính là vấn đề ô nhiễm môi trường, một lượng lớn chất thải ( khí thải, nước thải, chất thải rắn) là nguy cơ phát sinh và nguy cơ tiềm tàng tác động đến môi trường cũng như sức khỏe cộng đồng, làm ảnh hưởng lớn đến đời sống của các sinh vật.  Một trong những nguyên nhân gây ra sự tác hại đó chính là sự ô nhiễm các kim loại nặng trong nước làm ảnh hưởng trực tiếp đến các sinh vật dưới nước cũng như sức khỏe con người. Kim loại nặng tồn tại trong nước thải của nhiều ngành công nghiệp với nồng độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây những tác động tiêu cực tới môi trường. Đứng trước những thách thức đó, việc đi tìm lời giải cho bài toán môi trường nói chung và vấn đề xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng nói riêng đang được quan tâm sâu sắc. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu loại bỏ các kim loại trong nước bằng các vật liệu tự nhiên là một trong những hướng nghiên cứu mới, thân thiện với môi trường do ít hoặc không phải bổ sung các hóa chất vào dòng thải nên không gây các ảnh hưởng thứ cấp tới môi trường mà còn có thể thu hồi kim loại.  Một trong những phương pháp đang được chú trọng nhất là dùng vi sinh vật để xử lý kim loại nặng trong nước. Tại Sao Nên Dùng Vi Sinh Vật Để Xử Lý Kim Loại Nặng ? Trong bảo vệ môi trường, người ta đã sử dụng vi sinh vật làm sạch môi trường, xử lý các chất thải độc hại. Nhờ khả năng hấp thụ kim loại nặng trên bề mặt tế bào đã làm thay đổi trạng thái oxy hóa khử của kim loại sẽ tách bỏ kim loại trong nước thải. Ngoài ra phương pháp sử dụng vi sinh vật để xử lý với giá thành khá thấp và thu nhận kim loại ở mức độ cao. Chính vì thế, người ta đã dùng vi sinh vật để xử lý kim loại nặng. Đây cũng là lí do nhóm mình nghiên cứu và tìm hiểu về chuyên đề này. 2 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh B. NỘI DUNG I. Tìm hiểu chung về kim loại nặng 1. Định nghĩa: "Kim loại nặng" hay còn gọi là "nguyên tố vết" là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3. Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thủy quyển (các muối hòa tan), địa quyển (dạng rắn không tan, khoáng, quặng,...) và sinh quyển (trong cơ thể con người, động thực vật). 2. Nguồn gốc: Hầu hết các kim loại trong nước tồn tại dưới dạng ion, chúng có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo: NGUỒN GỐC TỰ NHIÊN Kim loại trong đất đá, Rửa trôi từ nơi khai xâm nhập vào thủy khoáng và những vùng vực qua quá trình tự đổ bỏ nhiên, phong hóa chất thải rắn xói mòn. Từ ô nhiễm không khí. 3 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh NGUỒN GỐC NHÂN TẠO Công nghiệp - Đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch. - Hoạt động sản xuất, xả thải ở nhà máy, công nghiệp. - Khai thác khoáng sản. Nông nghiệp - Phân bón. - Thuốc bảo vệ thực vật. Khác - Nước thải trong sinh hoạt. - Giao thông vận tải. - Thực phẩm và phụ gia thực phẩm. - Mỹ phẩm. 3. Ảnh hưởng đến sinh vật Một số kim loại cần cho sự phát triển của sinh vật và chúng được coi là nguyên tố vi lượng. Một số không cần thiết cho sự sống, khi đi vào cơ thể sinh vật có thể không gây nguy hiểm gì. Kim loại nặng gây độc hại với môi trường và cơ thể sinh vật khi hàm lượng của chúng vượt qua tiêu chuẩn cho phép. 4 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 4. Tác hại của kim loại nặng đến con người: Các chất quan trọng nhất mà chúng ta cần nghiên cứu đến như: Chì (Pb), Thủy ngân (Hg), Asen (As), Cadimi (Cd), Crom (Cr), Niken (Ni), Đồng (Cu), Mangan (Mn),...  Chì (Pb): Là nguyên tố có độc tính cao đối với sức khỏe con người. Chì gây độc cho hệ thần kinh trung ương, hệ thần kinh ngoại biên, tác động lên hệ enzim có nhóm hoạt động chứa hydro. Chì tích tụ ở xương, kìm hãm quá trình chuyển hóa canxi bằng cách kìm hãm sự chuyển hóa vitamin D.  Tiêu chuẩn tối đa cho phép theo WHO nồng độ chì trong nước uống là 0,005mg/ml  Thủy ngân (Hg): Tính độc của thủy ngân phụ thuộc vào dạng hóa học của nó. Thủy ngân có khả năng làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazo của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh. Trong nước, metyl thủy ngân là dạng độc nhất, nó làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào.  Nồng độ tối đa cho phép của WHO trong nước uống là 1mg/l, nước nuôi thủy sản là 0,5mg/l  Asen (As): Nồng độ thấp thì kích thích sinh trưởng, nồng độ cao gây độc cho động thực vật. Asen có thể gây ra 10 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng chính đối với sức khỏe con người là làm keo tụ protein và phá hủy quá trình photpho hóa, gây ung thư tiểu mô da, phổi, phế quản, xoang,...  Tiêu chuẩn cho phép theo WHO nồng độ asen trong nước uống là 50mg/l  Cadimi (Cd): Cadimi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở thận và xương, gây nhiễu hoạt động của môt số enzim, gây tăng huyết áp, ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá hủy tủy xương, gây ảnh hưởng tới nội tiết, máu, tim mạch.  Tiêu chuẩn theo WHO cho nước uống là 0,003mg/l  Crom (Cr): Cr (III) không độc nhưng Cr (VI) độc đối với động thực vật. Với người Cr (VI) gây loét dạ dày, ruột non, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi.  Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lương Crom trong nước uống là 0,005mg/l II. Cơ sở khoa học của phương pháp 5 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 1. Cơ sở khoa học chung         Nhờ khả năng hấp thụ các kim loại lên bề mặt tế bào vi sinh vật trong các hệ thống xử lý gây tác động lên trạng thái oxy hóa khử của các ion kim loại nhờ đó có thể tách bỏ các ion kim loại nặng trong nước thải. Hiệu quả của quá trình lọc kim loại phụ thuộc vào hệ vi khuẩn trong nước. Nhiều vi sinh vật có thể phân hủy bộ khung cacbon của các phức kim loại và như vậy làm cố định, giảm khả năng phát tán các ion kim loại một lần nữa. Tiếp câ nâ hướng nghiên cứu mới: sử dụng vâ ât liê âu có nguồn gốc là VSV thân thiê ân với môi trường đồng thời có thể thu hồi kim loại và tái sử dụng Đóng góp các vâ ât liê âu mới vào danh sách những vâ ât liê âu mới có khả năng loại bỏ kim loại nă nâ g Góp phần làm rõ nguyên lý và đô nâ g học của quá trình xử lý kim loại nă nâ g bằng sinh khối của vi sinh vật. Các kết quả nghiên cứu về khả năng loại bỏ Pb(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II), Ni(II) và Cr(VI) có hiê âu quả rõ rê ât về mă ât xử lý kim loại nă nâ g cũng như hiê âu quả về kinh tế. Vâ ât liê âu sinh học có ưu thế lớn là dễ hình thành, giá thành thấp, ít đô âc hại, hiê âu quả xử lý tốt, ít hóa chất, chất lượng thải tạo ra nhỏ và dễ xử lý, có thể tái tạo lại vâ ât liê âu hấp phụ Nhiều loại vi khuẩn, nấm men, tảo có thể hấp thu chủ động và tích tụ các ion kim loại trong tế bào nhờ hệ thống vận chuyển chủ động có thể hoạt động ngược với gradient nồng độ và tiêu tốn năng lượng. Ngược lại sự hấp thụ bề mặt là quá trình bị động, theo gradient nồng độ mà không sử dụng năng lượng và có thể trung gian qua các tế bào không hoạt động 2. Phương pháp sinh học a. Nguyên ly Hấp thụ lên bề mă ât tế bào nhờ các nhóm chức trên thành tế bào: COOH, OH, phenol,… có thể tạo phức với ion kim loại. Hấp thụ chủ đô nâ g và tích tụ ion kim loại trong tế bào nhờ hê â thống vâ nâ chuyển chủ đô nâ g ngược Gradient nồng đô .⠌  b. Cơ chế của phương pháp  Phương pháp sinh học là phương pháp sử dụng những vi sinh vật đặc trưng chỉ xuất hiện trong môi trường bị ô nhiễm kim loại nặng và có khả năng tích lũy kim loại nặng trong cơ thể.  Các vi sinh vật thường sử dụng như tảo,nấm, vi khuẩn, v.v.. Ngoài ra 6 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh còn có một số loài thực vật sống trong môi trường ô nhiễm kim loại nặng có khả năng hấp thụ và tách các kim loại nặng độc hại như: Cỏ Vertiver, cải xoong, cây dương xỉ, cây thơm ổi, v.v.. Thực vật có nhiều phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. c. Cơ chế hấp thụ kim loại nặng ở sinh vật như sau: Œ  Giai đoạn 1: Tích tụ các kim loại nặng và sinh khối, làm giảm nồng độ các kim loại này ở trong nước. Giai đoạn 2: Sau quá trình phát triển ở mức tối đa sinh khối, vi sinh vật thường lắng xuống đáy bùn hoặc kết thành mảng nổi trên bề mặt và cần phải lọc hoặc thu sinh khối ra khỏi môi trường nước. d. Một số vi sinh vâ ât tham gia  Chlorella vulgaris Có thể xử lý Ni, Cu: Nồng đô â 5ppm kết quả xử lý đạt trên 90% Cu và gần 70% Ni trong vòng 60 phút để tăng hiê âu quả xử lý từ 5pp đến 50ppm hiê âu quả xử lý còn khoảng 10 – 20% trong vòng 120 phút Chlorella vulgaris  Scendesmus abudans Khả năng hấp thụ cadimi là 62mg/l trong khoảng 36 giờ (theo nghiên cứu của Patricia A.Terry) Scendesmus abudans  Saccharomyces cerevisiae: 7 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Hấp thụ mô ât số Kim loại nă âng: Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ . Khả năng hấp thu theo thứ tự Pb2+, Cu2+, Zn2+, trong 48h nồng đô â giảm xuống tương ứng còn 37.5, 3905 mg/l Saccharomyces cerevisiae        Nấm men S. cerevisiae Sinh trưởng tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 27-330C, pH 4,5 – 5,5. Chịu được độ cồn, chịu mặn tốt và chịu được pH thấp ð Nên khi nuôi cấy trong môi trường axit mạnh có thể giảm khả năng nhiễm vi khuẩn lạ của chúng S. cerevisiae là tác nhân mang và tích lũy kim loại (Pb, Hg, Cr, Mn, Cu, Zn, Cd...) vào tế bào cơ thể với mức độ khác nhau khi sinh trưởng trong môi trường có mặt các kim loại nặng này. Các kim loại Cu, Zn, Mn có ảnh hưởng dương tính lên hoạt động hô hấp và tốc độ phát triển của S. cerevisiae. Tác động độc hại của KLN đến cơ thể sinh vật giảm theo trật tự: Hg 2+ > Cd2+ > Cu2+ > Ni2+ > Zn2+ > Pb2+ . Sự hấp thu kim loại ở S. cerevisiae diễn ra ở cả tế bào sống và tế bào chết. Quá trình hấp thu Cu, Zn, Pb ở tế bào nấm men S. cerevisiae được giải thích như sau: Đầu tiên, Cu sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp metallo thionein, sau đó metallo thionein bao quanh kim loại và bảo vệ S.cerevisiae khỏi độc tính của kim loại nặng. Sức đề kháng của S. cerevisiae với ion Cu 2+ liên quan đến sự tạo thành liên kết kim loại-protein (metallo thionein), sự khoáng hóa và sự tích tụ tạm thời tại không bào. Sự tích lũy kẽm trong nấm men do kẽm kích thích sự hình thành liên kết acetaldehyde với alcohol dehydrogenase. Kẽm thúc đẩy sự tổng hợp nhân bào, thiếu kẽm sẽ kìm hãm sự phát triển của tế bào. Theo quan điểm di truyền học, sự tích lũy liên quan đến quá trình trao đổi chất và cấu tạo tế bào. Bảng 3. Sự tích tụ các kim loại nặng bằng vi sinh vật và tảo Vi sinh vật Nguyên tố Lượng tích tụ ( % khối lượng khô ) Vi khuẩn Vi khuẩn (170 chủng) Cadmium Vi khuẩn ( 137 chủng ) Đồng Vi khuẩn ( 19 chủng ) Bạc 0,2 < 0,05 – 0,5 0,7 – 4,4 8 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Vi khuẩn ( 3 chủng) Uranium 8-9 Actinomyceles ( 5 chủng ) Uranium 8-9 Streptomyces ( 12 chủng ) Uranium 2-14 S. viridochromogenes Uranium 30 S. lonwoodensis Uranium 44 Bacillus sp.( 9 chủng ) Uranium 3-5 Hỗn hợp vi khuẩn Cadmium 0,22 Hỗn hợp vi khuẩn Đồng 30 Hỗn hợp vi khuẩn Bạc 32 Citrobacter sp. Chì 34-40 Citrobacter sp Cadmium 13,5  Đối với bùn có hàm lượng kim loại nặng cao, người ta có thể dung một số chủng vi khuẩn để xử lý, trong đó có các loài Thiobacillus ferrooxydans và Thiobacillus oxydans. Qua xử lý bằng các vi khuẩn này, nồng độ kim loại nặng trong bùn giảm từ 25 – gần 100% và sử dụng vi sinh vật khử kim loại nặng ở bùn.  T. ferrooxidans là các vi khuẩn hoạt động mạnh nhất trong chất thải mỏ do ô nhiễm axit và kim loại. T. ferrooxidans bắt nguồn năng lượng từ quá trình oxy hóa của sắt II thành sắt III  Ferrooxidans khả năng oxy hóa kim loại từ quặng. Về cơ bản, A. ferrooxidans trao đổi chất oxy hóa có lợi vì nó có thể tấn công 9 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh không hòa tan sulfide có chứa khoáng chất (ví dụ như đồng, chì, kẽm và niken) và bí mật họ sunfat kim loại hòa tan (19). Những dư lượng bụi được biết đến có chứa hàm lượng giá trị của kim loại mà không bị huỷ, thải bỏ. Trong một thí nghiệm, trên 90% có sẵn Cu, Zn, Ni và Al đã được lọc. III. Cách tiếp cận phương pháp Trong nhiều biện pháp xử lý ô nhiễm, biện pháp sinh học được mọi người đặc biệt quan tâm sử dụng. So với các biện pháp vật lý, hoá học, biện pháp sinh học chiếm vai trò quan trọng về quy mô cũng như giá thành đâu tư, do chi phí năng lượng cho một đơn vị khối lượng chất khử là ít nhất. Đặc biệt xử lý bằng biện pháp sinh học sẽ không gây tái ô nhiễm môi trường - một nhược điểm mà biện pháp hoá học hay mắc phải. Biện pháp sinh học sử dụng một đặc điểm rất quý của vi sinh vật , đặc điểm đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất là khả năng đồng hoá được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau của vi sinh vật, từ tinh bột, cellulose, cả nguồn dầu mỏ và dẫn xuất của nó đến các hợp chất cao phân tử khác như protein, lipid, cùng các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân ... Thực chất của phương pháp này là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật (sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng) để biến đổi các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành các hợp chất đơn giản hơn. Trong quá trình dinh dưỡng này vi sinh vật sẽ nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản, nên sinh khối được tăng lên. Nghiên cứu sự hấp phụ kim loại nặng bởi vi khuẩn Bacillus subtilis có biểu hiện polyhistidine 6x trên bề mặt tế bào. Nghiên cứu sự hấp phụ Cu2+, Ni2+ bởi vi khuẩn Bacillus subtilis được biến đổi di truyền có mang polyhistidine trên bề mặt tế bào. Tác giả đã nghiên cứu đặc điểm ảnh hưởng của pH dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ kim loại; khảo sát mô hình hấp phụ đẳng nhiệt, đặc điểm gắn của ion và động học biểu kiến của sự hấp phụ Cu 2+, Ni2+ Œ 10 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh trong dung dịch bởi sinh khối vi khuẩn B. subtilis. Nghiên cứu sự hấp phụ ion kim loại bởi sinh khối nấm mốc. Tác giả đã thực hiện sàng lọc, phân lập và định danh được 5 chủng có tính kháng Cu2+ và Ni2+ thuộc 5 loài nấm mốc khác nhau là Aspergillus niger, A. oryzae, Penicillium chrysogenum, Trichoderma harziamnum và Mucor racemosus. Chủng A. niger có tính kháng cao nhất được chọn làm đối tượng cho các nghiên cứu tiếp theo về đặc điểm hấp phụ kim loại của sinh khối nấm mốc như: ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý sinh khối và ảnh hưởng của cấu trúc, thành phần bề mặt hệ sợi của sinh khối theo thời gian nuôi cấy đến khả năng hấp phụ ion kim loại; ảnh hưởng của pH dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch lên khả năng hấp phụ ion kim loại; khảo sát mô hình hấp phụ đẳng nhiệt, và động học biểu kiến của sự hấp phụ Cu 2+ , Ni2+ trong dung dịch bởi sinh khối A. niger.  Ž Nghiên cứu mô hình thực nghiệm sử dụng màng sinh khối nấm mốc A. niger để hấp phụ kim loại trong nước. Trong nội dung này, tác giả đã khảo sát hiệu quả xử lý Cu2+, Ni2+ bằng mô hình 1 lớp và 2 lớp màng sinh khối A. niger và phân tích sự thay đổi cấu trúc bề mặt màng sinh khối trước và sau khi hấp phụ Cu2+ , Ni2+ trong dung dịch.  Nghiên cứu mô hình thực nghiệm lớp cố định dựa trên sinh khối nấm mốc A. niger và giá thể rơm để hấp phụ kim loại nặng trong nước. Trước tiên, tác giả đã khảo sát các đặc điểm hấp phụ kim loại nặng của giá thể rơm như đường đẳng nhiệt hấp phụ, ảnh hưởng của pH, nhiệt độ của dung dịch, nồng độ ban đầu của ion trong dung dịch đối với sự hấp phụ Cu 2+, Cd2+, phương trình động học biểu kiến của sự hấp phụ Cu 2+, Cd2+ bởi rơm. Tiếp theo, tác giả khảo sát mô hình thực nghiệm lớp cố định hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch bằng giá thể rơm với các nội dung: ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, tốc độ dòng và kích thước rơm lên hiệu quả hấp phụ ion kim loại của mô hình. Sau đó, tác giả đã khảo sát mô hình thực nghiệm lớp cố định rơm – A. niger để hấp phụ kim loại nặng trong dung dịch với các nội dung: khảo sát hiệu quả loại bỏ Ni 2+ của mô hình lớp cố định rơm – A. niger, ảnh hưởng của tốc độ dòng trong mô hình cố định với giá thể rơm – nấm mốc, phân tích sự thay đổi về cấu trúc và thành phần nguyên tố bề mặt lớp cố định rơm – nấm mốc. Cuối cùng, tác giả đã sử dụng phương pháp mô hình hóa thực nghiệm để tối ưu hóa các điều kiện vận hành mô hình thực nghiệm lớp cố định dùng rơm – A. niger để hấp phụ ion kim loại nặng trong dung dịch.  Nhóm nhà khoa học do tiến sĩ F.Reith dẫn đầu thu được những hạt vàng có kích thước 0,1 - 2,5 mm nằm rải rác tại 2 mỏ vàng ở Úc và phát hiện có dấu vết của vi khuẩn trên ở 80% số vàng thu thập. Từ đó, họ cho rằng vi khuẩn 11 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Ralstonia metallidurans có công dụng như các máy lọc đất siêu nhỏ, hấp thu kim loại nặng ở trạng thái hòa tan và chuyển chúng sang dạng cứng và ít độc hại hơn. Đây quả là điều kỳ diệu vì thông thường kim loại nặng không những độc hại đối với con người mà còn ảnh hưởng đến các vi sinh vật. ‘ Vi sinh vật chuyển hoá kim loại có thể là lời giải cho một trong những vấn đề môi trường lớn nhất nước Mỹ: Hàng trăm tỷ lít nước ngầm bị ô nhiễm bởi uranium và các loại hoá chất độc hại khác. Mỏ uranium lộ thiên lớn nhất thế giới tại Mỹ. Vi sinh vật trên được đặt tên là Geobacter. Chúng có cơ chế trao đổi chất độc nhất vô nhị: chuyển các electron cho kim loại để lấy năng lượng từ thức ăn, giống như cách con người hít thở oxy để phân huỷ thức ăn. Trong quá trình chuyển electron, Geobacter biến kim loại từ dạng hoà tan thành dạng rắn, làm cho kim loại tách khỏi nước ngầm. Vào năm 1987, Derek Lovley, một nhà vi sinh vật tại Đại học Massachusetts Amherst, đã phát hiện Geobacter sử dụng sắt oxide - đặc biệt là gỉ sắt - để tồn tại. Kể từ đó, ông đã tìm ra khoảng 30 loài vi sinh vật khác nhau cũng như phương pháp kích thích chúng ""hít thở"" mọi kim loại. Cùng với Bộ Năng lượng Mỹ, Lovley và đồng nghiệp đang triển khai một sự án làm cho Geobacter phát triển mạnh và chuyển hoá uranium trong nước ngầm ô nhiễm. Teresa Fryberger, giám đốc Cơ quan Khoa học Môi trường thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết phương pháp sử dụng Geobacter để làm sạch nước ngầm ô nhiễm ưu việt hơn so với các công nghệ hiện nay. Hiện Bộ Năng lượng phải bơm nước ô nhiễm lên bề mặt, xử lý nó để tách chất gây ô nhiễm rồi lại bơm nước trở lại lòng đất. Tuy nhiên, phương pháp đó không thể loại bỏ hoàn toàn ô nhiễm cũng như không thể giải quyết vấn đề nước ngầm bị nhiễm uranium tại nhiều địa điểm do Bộ quản lý. Vấn đề nước ngầm nhiễm uranium có từ thời kỳ Chiến tranh lạnh, khi các mỏ và nhà máy nghiền trên toàn nước Mỹ sản xuất hàng triệu tấn uranium oxide để chế tạo bom hạt nhân. Khi các mỏ bị đóng cửa vào những năm 1970, chất thải phóng xạ vẫn nằm tại đó. Chúng ngấm xuống đất và làm ô nhiễm nước ngầm. Mọi người uống phải thứ nước này có nguy cơ bị hỏng gan và ung thư. Tình trạng đất và nước ngầm bị nhiễm uranium lan rộng bởi chất phóng xạ này được khai thác, nghiền, tinh lọc, làm giàu, và được tái xử lý ở các địa điểm riêng. Khó có thể đưa ra con số chính xác về mức độ ô nhiễm song nó rất lớn. IV. Ưu điểm, nhược điểm Nhược Điểm: o Thiết bị làm sạch sinh học chỉ hoạt động sau một thời gian nhất định do các vi khuẩn cần có thời gian thích ứng và phải phát triển với số lượng đủ lớn. o Khi chế độ công nghệ làm sạch bị phá vỡ đột ngột (sự tăng đột ngột lượng nước thải nồng độ chất thải cao) quá trình làm sạch bị ngừng. Để khôi phục lại chế độ công tác ổn định của thiết bị làm sạch sinh học, cần có thời gian 12 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh xem xét nguyên nhân để rồi bắt đầu lại từ đầu. ƯUĐIỂM Đảmbảo về mặt sinh thái Không gây ô nhiễmmôi trường. So với phương pháp hoá lý giảm tới 80 %nhu cầu Rẻ hơn và an toàn về hoá chất, giảm hơn. tới hơn 2 lần chi phí điện năng, vận hành đơn giản, sạch sẽ hơn. V. Phương pháp xử lí kim loại nặng bằng việc kết hợp thực vật và vi sinh vật 1. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật. Qua quá trình nghiên cứu người ta đã chỉ ra rằng có nhiều sinh vật có khả năng tích luỹ KLN trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Do đó, phương pháp này được ứng dụng trong thực tiễn nhằm khử độc, làm sạch các kim loại nặng dựa trên nguyên tắc một số loại thực vật, vi sinh vật trong nước sử dụng kim loại nặng như chất vi lượng trong phát triển sinh khối. Theo Widerrman và Updegraff, một số sinh vật có khả năng chuyển hóa kim loại nặng bởi cơ chế sau: 13 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Tạo kết tủa ở dạng hydroxit Sử dụng thực vật hấp thụ kim loại nặng Tạo kết tủa ở dạng sunfit Tạo phản ứng phức hữu cơ Tại Việt Nam, việc xử lý nước thải tại các khu công nghiệp, các làng nghề bằng phương pháp sinh học đang rất được quan tâm. Như vậy phương pháp xử lý bằng vi sinh vật có nhiều ưu thế hơn các phương pháp xử lý bằng cơ chế lý hóa ở nhiều điểm như:  Phương pháp này phù hợp với với điều kiện làng nghề Việt Nam.  Dễ vận hành, dễ áp dụng.  Có thể áp dụng để xử lý dòng chất thải.  Nguyên liệu sử dụng sẵn có trong tự nhiên ( không sử dụng hóa chất) không gây ô nhiễm môi trường.  Các sinh vật có khả năng chuyển hóa kim loại nặng là các vi sinh vật nội tại có sẵn trong tự nhiên. ð Qua đó ta thấy rằng, mặc dù sự phát triển các khu công nghiệp, làng nghề đã đạt được nhiều thành tựu và có những đóng góp nhất định cho quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước nhưng vấn đề ô nhiễm do nước thải, đặc biệt là ô nhiễm kim loại nặng đang rất bức xúc và cần được xử lý triệt để. Việc đẩy mạnh xây dựng các hệ thống xử lý nước thải tập trung là rất cần thiết, liên quan trực tiếp đến chất lượng nước thải khi xả vào môi trường. Đồng thời cần chú trọng vào phương pháp xử lý bằng vi sinh vật để tăng hiệu quả, tiết kiệm và tham gia bảo vệ môi trường. Ngoài ra cũng cần phải đề ra những chính sách phù hợp khuyến khích các khu công nghiệp, làng nghề xây dựng tốt, kịp thời, nâng cao hiệu quả các khu xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường nhằm phát triển bền vững các khu công nghiệp, làng nghề trong tương lai. 2. Công nghệ xử lí kim loại nặng bằng thực vật.  Thực vật có nhiều cách phản ứng khác nhau đối với sự có mặt của các ion kim loại trong môi trường. Hầu hết, các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp. Tuy 14 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh nhiên, vẫn có một số loài thực vật không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của chúng  Trong thực tế, công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật đòi hỏi phải đáp ứng một số điều kiện cơ bản như dễ trồng, có khả năng vận chuyển các chất ô nhiễm từ đất lên thân nhanh, chống chịu được với nồng độ các chất ô nhiễm cao và cho sinh khối nhanh Tuy nhiên, hầu hết các loài thực vật có khả năng tích luỹ KLN cao là những loài phát triển chậm và có sinh khối thấp, trong khi các thực vật cho sinh khối nhanh thường rất nhạy cảm với môi trường có nồng độ kim loại cao.  Xử lý kim loại nặng trong đất bằng thực vật có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào từng cơ chế loại bỏ các kim loại nặng như:  Phương pháp làm giảm nồng độ kim loại trong đất bằng cách trồng các loài thực vật có khả năng tích luỹ kim loại cao trong thân. Các loài thực vật này phải kết hợp được 2 yếu tố là có thể tích luỹ kim loại trong thân và cho sinh khối cao. Khi thu hoạch các loài thực vật này thì các chất ô nhiễm cũng được loại bỏ ra khỏi đất và các kim loại quý hiếm như Ni, Tl, Au,... có thể được chiết tách ra khỏi cây.  Phương pháp sử dụng thực vật để cố định kim loại trong đất hoặc bùn bởi sự hấp thụ của rễ hoặc kết tủa trong vùng rễ. Quá trình này làm giảm khả năng linh động của kim loại, ngăn chặn ô nhiễm nước ngầm và làm giảm hàm lượng kim loại khuếch tán vào trong các chuỗi thức ăn. 3. Mối quan hệ giữa thực vật và vi sinh vật.  Trong sự tương tác giữa thực vật và vi sinh vật, hệ thống rễ của thực vật hình thành mối quan hệ tương hỗ , cộng sinh với một số lớn các vi sinh vật khác nhau sống quanh nó. Các mối quan hệ này được coi là các nhân tố chủ yếu xác đinh sự tồn tại, phát triển của các thực vật lẫn vi sinh vật trong đó.  Trong mối quan hệ cộng sinh, tương hỗ này , thực vật cung cấp cho vi sinh vật vùng rễ những nguồn cacbon hữu cơ khác nhau giúp cho vi sinh vật được tiến hành các hoạt động trao đổi chất cũng như chuyển hó năng lượng. Đến lượt mình, vi sinh vật ngoài việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng còn sinh ra các chất kích thích sinh trưởng thực vật, làm giảm , khử tính độc của kim loại, giúp cho thực vật sinh trưởng và phát triển tốt hơn. Như vậy, bổ sung thêm chế phẩm vi sinh vật thử nghiệm hoặc là giữ nguyên khả năng sinh trưởng của loài thực vật hoặc là kích thích chúng sinh trưởng tốt hơn. ð Qua đó ,việc kết hợp giữa thực vật và vi sinh vật trong xử lí kim loại nặng đang là một xu hướng phổ biến được úng dụng nhiều trên thế giới. Phương pháp này còn giúp cho việc tăng cường sự hoạt động cũng như sự đa dạng của các vi sinh vật, giữ cho hệ sinh thái được cân bằng. Ví dụ về ảnh hưởng của sự kết hợp vi sinh vật và thực vật đến dinh trưởng nhóm thực vật bản địa trồng trên đất nông nghiệp bị ô nhiễm: 15 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh Trong quá trình thực nghiệm, đánh giá hiệu quả xử lý đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng bằng kết hợp thực vật với vi sinh vật thì việc lựa chọn các chủng làm tăng kích thích sinh trưởng của thực vật bản địa thường là tiêu chí lựa chọn đầu tiên (Baker, A. J. M, R. D. Reeves and A. S. M. Hajar, 1994; Rufes L Chaney và cộng sự, 2007). Bảng 1. Sinh khối thu hoạch của các cây trồng thí nghiệm stt 1 2 3 4 5 6 7 8 Công thức CTR01: Đơn buốt CTR02: Đơn buốt + Hỗn hợp 4 chủng vi CTR03: Dừa nước CTR04: Dừa nước + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật CTR05: Mương đứng CTR06: Mương đứng + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật CTR07: Mương đứng + Dừa nước CTR08: Mương đứng + Dừa nước + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật Sinh khối tổng số khi thu hoạch (kg/ha) 5233,80 5912,30 3375,40 3491,70 9218,90 9986,50 11277,00 11631,00 9 CTR09: Ngổ dại 6041,70 1 0 1 1 2 7708,30 CTR10: Ngổ dại + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật CTR11: Ngổ dại + Mương đứng CTR12: Ngổ dại + Mương đứng + Hỗn hợp 4 chủng vi sinh vật 1 CTR13: Hướng dương 3 13766,89 14877,45 8079,10 16 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh 1 CTR14: Hướng dương + Hỗn hợp 4 chủng 4 vi sinh vật CV (%) LSD 0,05 8976,50 9,23 178,89 Số liệu bảng 1 cho thấy: Ảnh hưởng của kết hợp 4 chủng vi sinh tuyển chọn đến sinh trưởng của thực vật bản địa trong điều kiện đồng ruộng sau thời gian 45 ngày kể từ khi trồng, thì một số loại thực vật bản địa có khả năng hấp thu kim loại nặng trong đất nông nghiệp bị ô nhiễm ở thôn Đông Mai, Chỉ Đạo, Văn Lâm, Hưng Yên được ghi nhận với các mức độ phản ứng khác nhau. Ngổ dại có phản ứng dương tính nhất với mức tăng 27,59%, sau đó đến đơn buốt (12,96%),hướng dương(11,11%)và mương đứng (8,33%). Bổ sung hỗn hợp chủng vi sinh vật vẫn không gây hiệu quả tăng sinh khối cây dừa nước so với đối chứng (CTR04 so với CTR03) Với mô hình sử dụng cùng lúc 2 loài thực vật, hỗn hợp chủng vi sinh vật thử nghiệm tỏ ra không có hiệu quả đáng kể với dừa nước - mương đứng, tuy nhiên với ngổ dại - mương đứng thì cũng có biểu hiện dù mức tăng sinh khối không cao (8,07% so với đối chứng). Khi có bổ sung vi sinh vật, mô hình ngổ dại - mương đứng cho tổng sinh khối thực vật thử nghiệm lớn nhất, đạt 14877,45 kg/ha sau đó đến mương đứng (9986,5 kg/ha), hướng dương (8976,5 kg/ha), ngổ dại (7708,3 kg/ha), đơn buốt (5912,3 kg/ha) và thấp nhất là dừa nước (3491,67 kg/ha). So sánh hiệu lực kích thích sinh trưởng của chế phNm vi sinh với loài cây mà các tác giả nước ngoài đã công bố (HambuckersBerhin, F., and J. Remacle, 1990; Isao. Hasegawa, 2002) cho thấy mức tăng sinh thực vật trồng trên các vùng đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại nặng của 4 chủng vi sinh vật phân lập được là khá ngang bằng. 4. Một số công nghệ xử lí nước thải có chứa kim loại nặng bằng vi sinh vật Œ Công nghệ AFBR (Advance Fixed Bed Reactor) là một công nghệ được GREE phát triển từ công nghệ FBR (Fixed Bed Reactor) được bổ sung hệ thống sensor cảm biến DO và hệ thống điều khiển tự động hệ thống cung cấp dưỡng khí gíup điều chỉnh hàm lượng oxi trong nước luôn ở nồng độ tối ưu đem lại hiệu quả xử lý vượt trội đồng thời tiết kiệm điện năng tiêu thụ.  Công nghệ FBR (Fixed Bed Reactor) là một công nghệ của GREE được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số 17 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh chất vô cơ như H2S, sunfit, ammonia, nitơ…Dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ gây ô nhiễm làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển, hệ thống FBR (Fixed Bed Reactor) áp dụng tích hợp cả 3 quá trình sinh học bùn hoạt tính lơ lửng, quá trình tuỳ nghi khử nitơ phốt pho và quá trình vi sinh vật sinh trưởng ở dạng dính bám trên vật liệu tiếp xúc đặt trong hệ thống. Quá trình xử lí sinh học bằng công nghệ AFBR bao gồm ba giai đoạn sau: O xihóacáchấtT ổnghợptếbào Phânhủynộibào hữucơ m ới Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bào mới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42, … Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm nhiều loại vi khuẩn khác nhau cùng tồn tại. Ž Công nghệ xử lí nước thải bằng bể Aerotank.  Bể Aerotank cũng là một trong những phương pháp xử lý sinh học hiếu khí. Ưu điểm của bể là rất dễ xây dựng và vận hành. Bể Aerotank có nhiều loại như bể Aerotank truyền thống, bể Aerotank nhiều bậc,… Tuy nhiên bể Aerotank truyền thống sử dụng đơn giản nhất.  Nguyên tắc hoạt động của bể Aerotank: Công nghệ Aerotank là công nghệ được sử dụng nhiều nhất và lâu đời nhất bởi tính hiệu quả của nó. Aerotank là qui trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo, các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học được vi sinh vật hiếu khí sử dụng như một chất dinh dưỡng 18 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật GVHD: ThS. Nguyễn Phương Anh để sinh trưởng và phát triển. Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng gia tăng và nồng độ ô nhiễm của nước thải giảm xuống. Không khí trong bể Aerotank được tăng cường bằng các thiết bị cấp khí: máy sục khí bề mặt, máy thổi khí… Bể Aerotank  Công nghệ xử lí nước thải bằng SBR  SBR ( Sequencing batch reactor ) Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ phản ứng sinh học theo mẻ, Được giới thiệu là Giải pháp xử lý nước thải đạt hiệu quả cao kết hợp với  Nguyên tắc hoạt động:  Công nghệ xử lý nước thải SBR gồm 2 cụm bể: cụm bể Selector và cụm bể C – tech, Bể SBR (Sequencing Batch Reactor) là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục. Đây là một dạng của bể Aerotank. Nước được dẫn vào bể Selector trước sau đó mới qua bể C – tech. Bể Selector sẽ được sục khí liên tục tạo điều kiện cho quá trình xử lý hiếu khí diễn ra. Nước sau đó được chuyển sang bể C-tech. Bể SBR hoạt động theo một chu kỳ tuần hoàn với 5 pha bao gồm: Làm đầy, sục khí, lắng, rút nước và nghỉ. Mỗi bước luân phiên sẽ được chọn lựa kỹ lưỡng dựa trên hiểu biết chuyên môn về các phản ứng sinh học. Hệ thống SBR yêu cầu vận hành theo chu kỳ để điều khiển quá trình xử lý. Hoạt động chu kỳ kiểm soát toàn bộ các giai đoạn của chu kỳ xử lý. Mỗi bước 19 Chuyên đề: Ứng dụng công nghê sinh học trong xử lí kim loại nặng bằng vi sinh vật
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan

Tài liệu vừa đăng