Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm...

Tài liệu Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm

.PDF
28
133
84

Mô tả:

Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm
Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Bởi: Ngô Tự Thành Môi trường Môi trường (enviroment), theo định nghĩa khái quát nhất, là tổng thể của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo xung quanh một cá thể (người, động vật, thực vật, vi sinh vật), hoặc xung quanh các cá thể nào đó của một loài. Các yếu tố ấy có quan hệ mật thiết với nhau và có ảnh hưởng tới đời sống , sự tồn tại và phát triển của từng cá thể và từng loài nói trên. Nói một cách khác, môi trường là tổng thể các yếu tố vô sinh và hữu sinh bao quanh mỗi cá thể hoặc mỗi loài sinh vật, và có sự ảnh hưởng tới sự tồn tại và phát triển của chúng. Trong những hoàn cảnh cụ thể nào đó, ví dụ khi nói về sự ô nhiễm môi trường, người ta thường có ý nói về môI trường bao quanh con người , hay môi trường sống của con người. Tất nhiên, như thế không có nghĩa là trong môI trường ấy không có các loài khác. Trong khuôn khổ của môn học này, chúng ta không đề cập tới những khái niệm hay những định nghĩa rộng hơn về môi trường sống của con người trong đó bao hàm cả các yếu tố xã hội, hay còn gọi là môi trường xã hội – tức tổng thể các mối quan hệ giữa con người với nhau. Chúng ta chỉ thảo luận về môi trường sống tự nhiên của con người, hay môi trường sống, hay môi trường gồm các yếu tố tự nhiên và nhân tạo, như ở trên đã đề cập. Cần lưu ý rằng chúng ta nêu ra khái niệm “môi trường tự nhiên” ở đây chỉ nhằm không đề cập tới “môi trường xã hội”, chứ không nhằm đối lập nó với “ môi trường nhân tạo” bao gồm các yêu tố do con người tạo nên. Theo nghĩa khái quát nhất, khi nói tới môi trường (environment) là nói tới môi trường của ai hay của cái gì? 1/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Các yếu tố của môi trường có thể được xếp thành những nhóm nào? Sự ô nhiễm môi trường Theo quan niệm thông thường, ô nhiễm môi trường là sự thay đổi các tính chất tự nhiên (về sinh học, vật lý và hóa học) của môi trường, mà sự thay đổi ấy thường có hại cho sức khỏe và hoạt động của con người cũng như có hại cho các loài sinh vật. Sự thay đổi tính chất hóa học của môi trường có thể được biểu hiện bằng sự xuất hiện hay gia tăng của một hay nhiều chất độc hại được gọi là chất gây ô nhiễm (pollutant) và những biểu hiện khác nữa. Vẫn theo quan niệm này, các nhà quản lý môi trường còn có ý nói thêm rằng ô nhiễm môi trường là sự thay đổi môi trường khiến cho các chỉ số về môi trường có thể vượt quá những tiêu chuẩn môi trường được quy định bởi mỗi quốc gia. Theo quan niệm sinh thái học, môi trường gồm các kho vật chất có kích thước (lượng vật chất) nhất định của mỗi nguyên tố hóa học; và sự ô nhiễm môi trường là sự mất khả năng tự điều chỉnh kích thước của các kho ấy. Ví dụ, nguyên tố cacbon được chứa trong rất nhiều kho như kho CO2 và rất nhiều kho chất hữu cơ và vô cơ ; hiện nay kho CO2 đã vượt quá rất nhiều so với kích thước vốn có của nó trong nhiều thế kỷ trước đây, và vẫn gia tăng không ngừng, tức là mất đi khả năng tự điều chỉnh về mức cũ; đó chỉ là một biểu hiện của sự ô nhiễm môi trường theo quan điểm sinh thái học. Riêng môi trường nước có một phần đặc biệt là các nguồn nước để uống (potable water). Vì nước để uống có liên quan chặt chẽ với đời sống và sức khỏe của con người nên chúng ta quan tâm hơn trước hết đến sự ô nhiễm do vi sinh vật tức là đến chât lượng vi sinh vật học của nó. Việc kiểm tra chất lượng vi sinh vật học và xử lý để loại bỏ vi sinh vật trong nước để uống sẽ được đề cập ở chương 16 và không thuộc về các khái niệm sinh học ở mục 12.3.2 và phục hồi sinh học ở mục 12.3.3 Sự ô nhiễm môi trường có thể do các nguyên nhân tự nhiên ( hoạt động của núi lửa, động đất, bão, lụt, v..v..) hoặc do các hoạt động của con người (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, v..v..). Tuy nhiên, nguyên nhân do con người ngày càng được lưu ý, nhấn mạnh, bởi vì những hoạt động của con người dẫn đến sự ô nhiễm môi trường là điều ngày càng hiển nhiên và trầm trọng khiến chúng ta không thể không hành động ngay để cứu lấy Trái đất – môi trường sống, ngôi nhà chung của mọi chúng ta và của các thế hệ mai sau. Ngoài ra, về mặt ý thức, chúng ta cần nhận thức rằng sự ô nhiễm môi trườngnhư trên đã nói là do lỗi của con người chúng ta, do đó chúng ta cần nhấn mạnh để tìm cách hạn chế và khắc phục. Có những cách hiểu như thế nào về sự ô nhiễm môi trường Có sự giống nhau và khác nhau nào giữa các quan niệm ấy? 2/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Kho vật chất của mỗi nguyên tố hóa học là gì? Nguyên nhân của sự ô nhiễm môi trường? Chất gây ô nhiễm là gì? Phân hủy sinh học, xử lý sinh học, và phục hồi sinh học Phân hủy sinh học Có nhiều cách hiểu về sự phân hủy sinh học (biodegradation): • Đó là sự chuyển hóa một chất hữu cơ, chủ yếu bởi vi sinh vật, thành các sản phẩm cuối cùng ở dạng vô cơ. • Đó là sự phân hủy hóa học đối với một chất hữu cơ, chủ yếu bởi vì sinh vật hoặc các enzym của chúng. Trong tự nhiên, sự phân hủy sinh học gần như là một trong hai phần đối lập nhau của sự tuần hoàn vật chất, phần kia là sự tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ (Xem mục 1.4 và chương 7). Đối với đời sống và sản xuất của con người, tùy theo quá trình phân hủy sinh học cụ thể nào mà nó có thể là có lợi (phân hủy các phân tử phức tạp thành các sản phẩm của công nghiệp lên men như rượu, axit hữu cơ v.v.), hay có hại (phân hủy nguyên vật liệu như giấy, vải, sơn v.v.). Mọi cơ thể sống đều cần phải và có khả năng sử dụng tức là chuyển hóa các chất dinh dưỡng mà chúng hấp thu thành vật chất (sinh khối) và năng lượng của mình. Tuy nhiên, kỳ lạ thay, chỉ một số vi sinh vật có khả năng sử dụng cả những nguồn dinh dưỡng và năng lượng là các chất hữu cơ tổng hợp vốn xa lạ với sự sống theo nghĩa sinh học (các xenobiotic), và thường rất độc hại với mọi sinh vật, cũng như sử dụng được cả những hydrocacbon của dầu mỏ không có chút giá trị dinh dưỡng nào đối với con người. Chính những vi sinh vật kỳ diệu như vậy đang là cứu cánh của con người để xử lý môi trường ô nhiễm bởi các chất độc hại (xem chuyên mục bạn có biết? Bạn nghĩ gì? ). Tuy nhiên, đừng quên rằng các chất hữu cơ tự nhiên (thông thường, không độc hại) như cellulose, đường, protein v.v., nếu vượt quá ngưỡng nồng độ nào đó trong môi trường thì cũng gây ô nhiễm theo nghĩa làm biến đổi tính chất của môi trường theo hướng không mong muốn. Những chất như vậy thì được phân hủy, “xử lý” bởi rất nhiều loài vi sinh vật thông thường. Bởi vậy, trong lĩnh vực xử lý môi trường ô nhiễm, người ta muốn vi sinh vật thực hiện phân hủy sinh học để phân hủy các chất gây ô nhiễm độc hại trong môi trường thành 3/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm những chất không độc ại hoặc ít độc hại hơn, hoặc giảm nồng độ của chúng xuống tới mức an toàn. Tuy vậy, kết quả không phải bao giờ cũng như ý muốn: sự phân hủy sinh học có thể chuyển hóa một chất không độc thành chất độc, hoặc một chất độc thành chất độc hơn. “Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?CÓ CẦN NHỚ ĐẾN CÁC SINH VẬT TỪ NGOÀI HÀNH TINH?” “Theo các tiểu thuyết hư cấu về khoa học, những sinh vật đến từ ngoài hành tinh có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác chúng ta, và chúng có thể ăn, uống, hít thở những chất mà chúng ta không thể hấp thụ. ” “Như vậy, những cơ thể xa lạ này là vô giá nếu chúng giúp chúng ta làm sạch (loại trừ) những chất gây ô nhiễm hành tinh này như dầu thô, xăng, thủy ngân…, tất cả đều độc hại đối với cây cối, động vật và con người.” “May thay, chúng ta không cần chờ đợi sự viếng thăm của những cơ thể chỉ có trong trí tưởng tượng ấy, mà vẫn có thể giải quyết được vấn đề của mình, nhờ những cơ thể sống có thực ngay quanh ta: mặc dù nhiều vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng giống như con người (nên chúng mới “ăn vụng” và làm hỏng thực phẩm của chúng ta!), nhưng có những vi sinh vật khác lại chuyển hóa được những chất mà chỉ có thể là các “món ăn” của các cơ thể giả tưởng! Trên đây, như các kim loại nặng, lưu huỳnh, nitơ dạng khí, dầu thô, thậm chí cả polyclorinat biphenyls (PCBs) và thủy ngân. Bằng chứng rất thuyết phục về sự “giúp đỡ con người” của những vi sinh vật kỳ diệu ấy là việc xử lý thành công môi trường rộng lớn bị ô nhiễm bởi vụ tràn dầu Exxon Valdez (xem chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Trang…)” Về mặt hóa học, sự phân hủy sinh học có thể diễn ra ở một, hai, hay cả ba mức độ sau đây, tùy theo bản chất của chất bị phân hủy, tùy theo điều kiện môi trường và vi sinh vật thực hiện: • Một sự thay đổi rất nhỏ trong phân tử hữu cơ, qua đó cấu trúc chủ yếu của phân tử ấy không thay đổi. • Một sự phân hủy triệt để hơn phân tử hữu cơ phức hợp sao cho những phần nhỏ hơn được tạo ra lại có thể kết hợp với nhau để tái tạo cấu trúc ban đầu. • Một sự vô cơ hóa hoàn toàn các phân tử hữu cơ, nghĩa là tạo thành các phân tử vô cơ. Nếu xét một chất hữu cơ cụ thể thì nó có thể thuộc về một trong ba nhóm sau đây: • Có khả năng bị phân hủy sinh học (biodegradable), nghĩa là chịu sự chuyển hóa sinh học. • Bền vững (persistent), nghĩa là không bị phân hủy sinh học trong một số môi trường nào đó. • Rất bền vững (recalcitrant), nếu chất ấy không bị phân hủy sinh học trong rất nhiều môi trường khác nhau. 4/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Ở một góc độ khác nữa, bản chất các thuật ngữ có khả năng bị phân hủy sinh học (biodegradabbe) và sự phân hủy sinh học (biodegradation) không hàm ý chỉ bất kỳ một mức độ phân hủy nào. Sự chuyển hóa có thể bao gồm một hay nhiều phản ứng, và hiệu ứng của sự chuyển hóa ấy có thể là nhỏ hay lớn. Do vậy chúng ta có một khái niệm nữa, chỉ bất kỳ mức độ nào của sự phân hủy sinh học: sự chuyển hóa sinh học (biotransformation) - là một quá trình do vi sinh vật thực hiện, trong đó hợp chất ban đầu được chuyển thành các sản phẩm thứ cấp hoặc trung gian. Cùng đó sự phân hủy sinh học có thể xảy ra ở nhiều mức độ khác nhau nên chúng ta còn có thể phân biệt: • Sự phân hủy sinh học sơ bộ (primary biodegradation) thường được hiểu là sự thay đổi do một phản ứng riêng lẻ gây ra, trong khi đó • Sự phân hủy sinh học một phần (partial biodegradation) chỉ một sự thay đổi nhiều hơn về hóa học. Tuy nhiên, theo cách nói thông thường, khi nói rằng một chất có khả năng bị phân hủy sinh học thì người ta muốn nói rằng nó có thể bị vô cơ hóa. Sự vô cơ hóa (mineralization) là sự phân hủy triệt để (hoàn toàn) thành các sản phẩm cuối cùng như CO2, H2O và các chất vô cơ khác. Nói chung các chất này là vô hại, bởi vậy phân hủy sinh học được con người khai thác, tận dụng và tăng cường để dùng cho các quá trình xử lý sinh học và phục hồi sinh học. Nói cách khác, phân hủy sinh học là tiên đề, là cơ sở của xử lý sinh học và phục hồi sinh học. Hiểu thế nào là sự phân hủy sinh học (biodegration), theo nghĩa rộng nhất và theo nghĩa thông thường? Có nghĩa nào của thuật ngữ đó riêng cho lĩnh vự xử lý môi trường ô nhiễm không? Dưới góc độ về sự phân hủy sinh học thì hiểu thế nào là các nguồn vật chất (hoặc dinh dưỡng) và năng lượng “thông thường” và “không thông thường”? Kể ra một vài ví dụ cho mỗi nhóm ấy. Vì sao có thể sử dụng một số vi sinh vật để xử lý môi trường ô nhiễm các chất rất độc hại? Có thể nói gì về hóa học của sự phân hủy sinh học? Có thể nói gì về khả năng bị phân hủy sinh học của một chất nói chung? Vì sao sự phân hủy sinh học là tiền đề, là cơ sở của xử lý sinh học và phục hồi sinh học? Xử lý sinh học Trước hết, hãy bàn về khái niệm xử lý (treatment) trong khuôn khổ môn học này. Chúng ta thường nói tới việc xử lý môi trường (thực ra là xử lý môi trường ô nhiễm), mà ít diễn 5/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm đạt đúng mức rằng thực ra đó là việc xử lý đối với chất gây ô nhiễm trong môi trường đó. Việc xử lý chất gây ô nhiễm ấy có thể là một xử lý không sinh học (non-biological treatment) như thiêu đốt, hấp phụ (adsorption),v.v. đối với vậy liệu chứa chất gây ô nhiễm hay chính chất gây ô nhiễm; hoặc đó có thể là một xử lý sinh học (biological treatment). Trong khuôn khổ của giáo trình này thì chúng ta chủ yếu đề cập đến xử lý sinh học. Bây giờ, chúng ta cần nhận thức rằng xử lý sinh học phải dựa trên cơ sở của sự phân hủy sinh học: sự phân hủy sinh học vẫn thường xảy ra trong tự nhiên, ở mọi lúc nào và mọi nơi nào có đủ điều kiện cho nó xảy ra, nhưng rất chậm. Còn trong các quá trình xử lý sinh học, người ta tăng cường sự phân hủy sinh học bằng cách tạo điều kiện thuận lợi nhất đến mức có thể cho vi sinh vật, để chúng sinh trưởng và phân hủy chất gây ô nhiễm. Tiếp theo, cần phân biệt hai khái niệm rất gần nhau và do đó rất hay được dung lẫn cho nhau, nhưng thực ra vẫn có sự khác nhau: xử lý sinh hoc và phục hồi sinh học. Sự phân biệt này sẽ được đề cấp ở mục 12.3.3 ngay dưới đây. Thực chất của xử lý môi trường là gì xử lý môi trường là xử lý cái gì trong môi trường ấy? Hãy tự tìm hiểu hoặc suy luận để biết sơ qua nguyên lý của các xử lý không sinh học, và từ đó trình bày vắn tắt sự khác nhau về nguyên lý giữa các xử lý không sinh học với xử lý sinh học. Vì sao xử lý sinh học phải dựa trên tiền đề và cơ sở là sự phân hủy sinh học. Xử lý sinh học là gì? Phục hồi sinh học Như trên đây đã đề cập, thực chất của “xử lý môi trường” là “xử lý chất gây ô nhiễm trong môi trường bị ô nhiễm”. Tương tự, thực chất của “xử lý sinh học môi trường” là “xử lý sinh học chất gây ô nhiễm trong môi trường”. Trái lại, khi nói đến “phục hồi sinh học môi trường ô nhiễm” là chúng ta muốn nói đến những tác động vào chính môi trường ô nhiễm ấy, thông qua việc xử lý sinh học các chất gây ô nhiễm, để trả môi trường ấy trở về trạng thái an toàn. Sự khác nhau rất nhỏ giữa hai thuật ngữ hoặc hai khái niệm là ở chỗ đó. Chính vì sự khác nhau rất nhỏ ấy mà, nếu hiểu đúng, thì có thể dùng lẫn hai khái niệm ấy cho nhau. Nói cách khác, gần đúng, rằng phục hồi sinh học chính là xử lý sinh học. Nói đúng hơn, phục hồi sinh học thì dựa trên cơ sở của xử lý sinh học, tứ là cũng dựa trên cơ sở của sự phân hủy sinh học. Có một số cách hiểu về phục hồi sinh học: 6/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm • Trong phạm vi môn học này thì: Phục hồi sinh học (bioremediation) là quá trình tạo điều kiện cho vi sinh vật chúng phân hủy nhanh các chất gây ô nhiễm hữu cơ độc hại trong môi trường để trả môi trường ô nhiễm ấy về trạng thái an toàn. • Theo một cách hiểu rộng rãi hơn thì: Phục hồi sinh học là một quá trình tự phát hoặc có điều khiển, trong đó xảy ra sự phân hủy sinh học (nhất là vi sinh vật học) đối với các chất gây ô nhiễm và do đó làm giảm bớt hoặc loại bỏ sự ô nhiễm môi trường. Sự tự làm sạch của các dòng sông hay suối bị ô nhiễm nhẹ là những ví dụ về sự phục hồi sinh học tự phát; tuy nhiên đó không phải là chủ đề chính của phần III. Chủ đề chính ở đây là các quá trình phục hồi sinh học có kiểm soát. • Gần đây khái niệm phục hồi sinh học được mở rộng, bao gồm cả các quá trình sinh học kể cả của thực vật, làm kết tủa hoặc cố định các chất gây ô nhiễm vô cơ, ví dụ các kim loại nặng. Cách hiểu mở rộng này không thuộc khái niệm đã nêu trên đây, nhưng sẽ được đề cập vắn tắt trong một phần về sau. Sự phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ nhờ vi sinh vật là một quá trình xảy ra trong tự nhiên và bị giới hạn bởi các điều kiện vật lý, hóa học và môi trường. Những ví dụ về các điều kiện giới hạn ấy là: cấu trúc phân tử của chất gây ô nhiễm và tính đề kháng của nó đối với sự phân hủy sinh học, thiếu sự tiếp xúc giữa các chất gây ô nhiễm với chủng vi sinh vật phân hủy, sự có mặt của chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy chất gây ô nhiễm, và những điều kiện môi trường thích hợp cho vi sinh vật. Trong các hệ thống phục hồi sinh học, những điều kiện giới hạn sự phân hủy sinh học được cải biến đi, và hoạt động phân hủy của vi sinh vật được nâng cao, chẳng hạn như bằng việc hiệu chỉnh một vài nhân tố môi trường vốn giới hạn hoạt tính sinh học. Việc tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật (cũng gọi là kích thích chúng) bao gồm sự bổ sung hoặc cung cấp các chất dinh dưỡng, các chất cho điện tử, và chất nhân điện tử cuối cùng, hoặc kết hợp các việc ấy, cũng như tạo các điều kiện thuận lợi khác (về pH, nhiệt độ v.v.) để tăng cường sinh trưởng, tăng cường sự phân hủy sinh học và sự chuyển hóa sinh học. Mục đích cuối cùng của phục hồi sinh học là vô cơ hóa chất gây ô nhiễm, nghĩa là chuyển hóa một hóa chất có hại thành các hợp chất không có hại, như cacbon dioxit hoặc một số khí khác, hoặc các chất vô cơ, nước, và vật chất tế bào của vi sinh vật phân hủy. Hầu hết vi sinh vật dùng oxy để oxy hóa và phân hủy sinh học chất hữu cơ (sự phân hủy sinh học hiếu khí); những vi sinh vật khác thì dùng nitrat, sulfat, metan, hoặc các chất nhận điện tử khác (sự phân hủy sinh học kỵ khí). Trước kia, hầu hết các quá trình phục hồi sinh học đều dựa vào sự phân hủy sinh học hiếu khí. Nguyên nhân là vì nhiều chất gây ô nhiễm dễ bị phân hủy trong điều kiện hiếu khí, vì phân hủy kỵ khí thường diễn ra với tốc độ chậm hơn, và vì việc duy trì các điều kiện kỵ khí trong một quá trình phục hồi sinh học có điều khiển là khó hơn so với duy trì điều kiện hiếu khí. Các quá trình kỵ kí được dành cho một số nhóm các chất gây ô nhiễm nào dễ bị phân hủy kỵ khí, 7/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm ví dụ như các chất clo hóa ở mức độ cao. Trong giáo trình này chủ yếu đề cập đến sự phân hủy sinh học hiếu khí vì nó được áp dụng rộng rãi hơn. Sự phân hủy sinh học kỵ khí được đề cập ở mức độ hạn chế hơn. Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học thường là các vi sinh vật bản địa (indigenous microorganisms). Tuy nhiên nếu quần thể này không có khả năng phân hủy chất đích hoặc bị ức chế bởi một yếu tố nào đó trong môi trường thì cần đưa vào đó những vi sinh vật có khả năng trao đổi chất đặc hiệu đối với chất gây ô nhiễm. Đó có thể là những vi sinh vật đã được tuyển lựa hoặc được cải biến di truyền. Biện pháp vừa nêu được gọi là sự tăng cường sinh học(bioaugmentation). Trong quá trình phục hồi sinh học, các vi sinh vật tham gia có thể thu nhận được cả vật chất (cacbon) và năng lượng nhờ sự phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ. Đôi khi sự phân hủy ấy diễn ra thông qua sự đồng trao đổi chất (cometabolisms, xem mục…) hoặc nhờ sự nhận điện tử cuối cùng. Phục hồi sinh học có thể diễn ra theo kiểu in situ hoặc ex situ (xem mục 12.7) Các đối tượng của phục hồi sinh học, hay là các môi trường cần được phục hồi, có thể là những thực thể ở dạng rắn, lỏng hoặc khí (như đất hoặc rác, nước ngầm hoặc nước thải, không khí, theo thứ tự). Các công nghệ phục hồi sinh học có rất nhiều kỹ thuật phương pháp khác nhau để phù hợp với mỗi thực thể môi trường đó, ví dụ: làm đất (landfarming), ủ đống (composting), lọc sinh học (biofiltration) v.v. Tất cả các kỹ thuật đó được chia thành hai nhóm, tùy theo việc vật liệu ô nhiễm không bị rời khỏi vùng ô nhiễm để xử lý (xử lý in situ) hay có bị dời đi để xử lý (xử lý ex situ) (xem mục 12.7). Phục hồi sinh học rất thường được sử dụng để khắc phục sự cố tràn dầu trên biển. Một ví dụ điển hình là việc khắc phục sự cố tràn dầu Exxon Valdez năm 1989. “Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? VI SINH VẬT THAM GIA KHẮC PHỤC ” “SỰ CỐ TRÀN DẦU EXXON VALDEZ” “ Tháng 3 năm 1989, tàu chở dầu Valdez của tập đoàn dầu mỏ hàng đầu thế giới Exxon bị mắc cạn ở vùng biển Alaska, làm tràn vào nước biển 41,5 triệu lít dầu thô. Đó là vụ tràn dầu tồi tệ nhất trong lịch sử Hoa Kỳ, gây tác hại đến hàng trăm kilomet bờ biển, làm chết vô số động vật hoang dã tại đó.” “ Việc khắc phục sự cố này đã tiêu tốn 2 tỷ đôla Mỹ, đòi hỏi sự phối hợp giữa Cơ quan Bảo về Môi trường của Mỹ (EPA) với Chính quyền bang Alaska và tập đoàn Exxon, đòi hỏi sự tham gia trực tiếp của 10.000 công nhân và rất nhiều không tính xuể …vi sinh vật.” “ Các vi sinh vật bản địa của vùng ô nhiễm, trong đó có Pseudomonas, chuyển hóa dầu thành các sản phẩm cuối cùng không độc như CO2 và nước. Để tăng cường hoạt động của những vi sinh vật này, người ta bổ sung các chất dinh dưỡng chứa nitơ, photpho, và các nguyên tố vi lượng vào vùng bờ biển ô nhiễm. Việc bổ sung dinh dưỡng này không chỉ tăng cường sinh trưởng của vi sinh vật mà còn tăng cường tốc độ phân hủy dầu và làm sạch bờ biển.” “ Tác hại lâu dài của vụ tràn dầu này tới vùng biển nơi xảy ra sự cố vẫn còn là 8/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm vấn đề gây tranh cãi. Thậm chí hơn 10 năm sau đó, một số quần thể động vật và thực vật vẫn chưa phục hồi hoàn toàn. Tuy nhiên, cũng có những dấu hiệu về sự phục hồi đáng ngạc nhiên của hệ sinh thái ở đây. Phần lớn vùng này bây giờ trông giống như trước khi xảy ra sự cố, một phần nhờ sự phục hồi sinh học do các vi sinh vật “ăn dầu mỏ” thực hiện.” Phân tích môi quan hệ giữa ba khái niệm phục hồi sinh học, xử lý sinh học và phân hủy sinh học. Phân tích ý kiến cho rằng “phục hồi sinh học” và “xử lý sinh học” chẳng qua chỉ là hai cách gọi khác nhau của cùng một quá trình. Phục hồi sinh học có xảy ra trong tự nhiên hay không, vì sao, dẫn chứng ? Phân tích sự giống và khác nhau giữa ba cách hiểu về phục hồi sinh học đã nêu ở mục 12.3.3. Trình bày cụ thể đến mức có thể, con người muốn thực hành phục hồi sinh học thì cần phải làm những công việc gì ? Tại sao có trường hợp phục hồi sinh học trong đó người ta đưa các vi sinh vật không phải của môi trường cần phục hồi vào môi trường ấy? Đó có thể là những loại vi sinh vật nào ? Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học là nhằm mục đích gì cho chúng ? Nếu trong một quá trình phục hồi sinh hoc, vi sinh vật không thể phân hủy một chất đích thì người ta khắc phục bằng cách nào ? Thế nào là phục hồi sinh học in situ và ex situ ? Hãy nói về hoạt động của con người đối với vi sinh vật, trong việc khắc phục sự cố tràn dầu Exxon Valdez. Xử lý in situ và ex situ Trong xử lý in situ đối với một địa điểm ô nhiễm, môi trường ô nhiễm không được đào bới để mang đến một trạm xử lý, nhằm tránh làm xáo trộn các hoạt động kinh tế, xã hội … tại nơi đó; đồng thời cũng giảm đáng kể chi phí đào bới và vận chuyển vật liệu bị ô nhiễm, chủ yếu là đất. Điều đó có nghĩa là người ta sẽ phải cung cấp chất dinh dưỡng (cũng có thể đồng thời là chất cho điện tử) và chất nhận điện tử cuối cùng ( thường là oxy ) vào sâu trong môi trường ô nhiễm (ví dụ đất hoặc nước ngầm), để cho vi sinh vật tại đó có thể sinh trưởng và phân hủy chất gây ô nhiễm. 9/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Như vậy, khó khăn lớn nhất về mặt kỹ thuật của xử lý in situ là việc cung cấp oxy và chất dinh dưỡng vào nơi bị ô nhiễm, thông thường là vào các lớp sâu của đất và vào nước ngầm. Mô tả kỹ thuật chi tiết của việc cung cấp này sẽ được đề cập cụ thể ở các chương sau, trong từng phương pháp cụ thể. Trái lại, trong xử lý ex situ, vật liệu bị ô nhiễm cần phải được đào bới để mang đến trạm xử lý. Việc làm này đòi hỏi chi phí đáng kể. Bù lại, tại trạm xử lý, quá trình xử lý sinh học được diễn ra một cách chủ động, có kiểm soát, trong những điều kiện được coi là tối ưu. Bởi thế, xử lý ex situ thường có hiệu quả cao hơn rất nhiều và đòi hỏi thời gian ngắn hơn so với in situ. Các phương pháp xử lý ex situ cũng sẽ được mô tả cụ thể ở những chương sau. Xử lý in situ nói chung là phương pháp được ưa dùng nhất để phục hồi cả nước ngầm ô nhiễm và đất ô nhiễm vì nó không đòi hỏi phải đào bới và vứt bỏ vật liệu bị ô nhiễm. Trong hầu hết các trường hợp, tổng chi phí của quá trình phục hồi là thấp hơn đáng kể so với nếu phải đào bới xử lý. Trong những trường hợp nào đó thì chi phí của in situ có thể không khác nhiều so với các phương pháp khác, nhưng trong quá trình lựa chọn một phương pháp còn phải cân nhắc đến những nhân tố ngoài như chi phí, như … Tuy nhiên xử lý in situ cũng có những nhược điểm so với phương pháp đào bới và xử lý trên bề mặt hoặc xử lý bên ngoài và vứt bỏ, đó là khó khăn trong việc cung cấp oxy và chất dinh dưỡng vào vị trí phản ứng, khó xác định phạm vi vùng xử lý, tốc độ xử lý tương đối chậm, và xu thế lan rộng của vùng ô nhiễm. Xử lý in situ đối với các thủy vực ô nhiễm được tiến hành khác với xử lý đất ở vùng ô nhiễm không bão hòa, vì ở thủy vực nồng độ oxy và sự vận chuyển oxy là khác. Độ hòa tan của oxy trong nước là thấp và phụ thuộc vào sự cân bằng với nồng độ oxy cân bằng dưới 8mg/l và hầu hết các túi nước ngầm nông có nồng độ oxy hòa tan từ 4 đến 7mg/l. Phân hủy sinh học hiếu khi là phương pháp chủ yếu để thực hiện phục hồi sinh học, vì những nồng độ oxy thấp trong các thủy vực sẽ cản trở nhiều tốc độ và phạm vi của quá trình xử lý, trừ khi oxy hoặc một chất nhận điện tử khác được đưa vào liên tục. Còn về các chất dinh dưỡng, chúng thường có mặt ít hơn so với những nồng độ tỷ lượng đòi hỏi, cả trong các thủy vực cũng như trong các đất ở vùng không bão hòa. Trong số các chất dinh dưỡng thì nitơ có ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng của vi sinh vật và khả năng phân hủy chất hữu cơ của chúng. Tuy nhiên, độ hòa tan của nitơ, NH4+và NO3-, trong nước là cao, và người ta có thể đưa những chất này vào nước với nồng độ khá cao mà không gây ức chế sinh trưởng và hô hấp của vi sinh vật. Ngoài ra, nitrat có thể được đưa vào để vi sinh vật dùng nó như một chất nhận điện tử cũng như dùng làm chất dinh dưỡng. Vì không phải mọi vi sinh vật đất đều có khả năng hô hấp bằng nitrat nên phổ các chất gây ô nhiễm có thể bị phân hủy nhờ sự hô hấp nitrat hẹp hơn nhiều so với trường hợp của oxy. Hơn nữa, một số phản ứng (ví dụ sự phân hủy các chất thơm được xúc tác từ enzym oxygenaza) không thể xảy ra nếu không có oxy phân tử. 10/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sự đồng trao đổi chất Thông thường, khi vi sinh vật chuyển hoá một chất hữu cơ thì chúng sử dụng chất đó làm nguồn cacbon hoặc nguồn năng lượng. Tuy nhiên có những trường hợp vi sinh vật chuyển hoámột số chất hữu cơ nào đó nhưng không có khả năng sử dụng chất đó làm cơ chất cho sinh trưởng hoặc làm nguồn năng lượng. Khi ấy vi sinh vật cần một cơ chất khác làm nguồn cacbon vànăng lượng để sinh trưởng. Kiểu trao đổi chất đặc biệt này đối với một chất không có ích cho sinh trưởng, được gọi là sự đồng trao đổi chất (cometabolism) . Trong phạm trù về đồng trao đổi chất thì một cơ chất không có ích cho sinh trưởng được định nghĩa là một chất hữu cơ không thể được dùng làm nguồn năng lượng hoặc không phải là nguồn dinh dưỡng đáng kể cho vi sinh vật đang phân huỷ nó. Như vây, trong đồng trao đổi chất, vi sinh vật sử dụng một cơ chất làm nguồn năng lượng sơ cấp, và chuyển hóa “vô cơ” một chất khác bằng cách dùng các enzym được tổng hợp để phan huỷ cơ chất sơ cấp . Thuật ngữ đồng trao đổi chất đã gây nhiều tranh cãi giữa các nhà khoa học. Một số người sử dụng thuật ngữ đồng oxy hoá (cooxidation), hoặc sự phân huỷ sinh học “vô cớ” (gratuituos biodegradation),hoặc trao đổi chất phị(incidental metabolism). Một số người khác thì dùng thuật ngữ đồng trao đổi chất để chỉ những trường hợp mà cơ chất không có ích cho sinh trưởng được chuyển hoá nếu cơ chất sinh trưởng có mặt. Còn nếu sự chuyển hoá cơ chất không có ích cho sinh trưởng diễn ra không cần sự có mặt của cơ chất sinh trưởng thì có lẽ nên gọi đó là một sự trao đổi chất ngẫu nhiên (fortuituos metabolism). Tuy nhiên, thuật ngữ đồng trao đổi chất (cometabolism) đã được dùng phổ biến hơn cả, kể cả khi cơ chất sinh trưởng có mặt và không có mặt, và đó cũng là cách dùng trong sách này. Trong thực tiễn, một số chất lạ sinh học (xenobiotiz) quan trọng được chuyển hoá theo kiểu đồng trao đổi chất, trong đó có dioxin, trichloroeten (trichloroethene,TCE), và các biphenyl có nhiều gốc clo hoá (pplychlorinated biphenyls, PCBs). Các hệ thống xử lý theo kiểu đồng trao đổi chất đối với TCE ở quy mô phòng thí nghiệm đã hoạt động tốt, nhưng ở quy mô lớn thì không ổn định hoặc chưa có tính cạnh tranh so với các kiểu xử lý khác. Đói với dioxin và PCBs thì hiện chưa có các hệ thống xử lý lớn theo nguyên lý đồng trao đổi chất. Màng sinh học Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu màng sinh học là gì và tầm quan trọng của nó. Trong tự nhiên, ít khi sinh vật sống thành khuẩn lạc thuần khiết riêng rẽ (trong đó chỉ gồm các tế bào của một loài) như chúng ta nhìn thấy trên đĩa thạch của phòng thí nghiệm. Trái lại, chúng thường sống thành những tập đoàn nhầy, được gọi là màng sinh 11/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm học – tại đó chúng chia sẻ chất dinh dưỡng. Sự tạo thành một màng sinh học bắt đầu khi một vi khuẩn bơi tự do bám vào một bề mặt. Nếu những vi khuẩn này sinh trưởng thành một lớp dầy thì chất dinh dưỡng không thể đi tới những vị trí sâu hơn bên trong lớp đó và các chất trao đổi độc có thể tích lũy bên trong. Màng sinh học tránh được những vấn đề này nhờ cấu trúc như cột (hình 27.10-21) mà khoảng cách giữa chúng tạo thành những khe hở cho nước chảy qua mang chất dinh dưỡng đi vào và mang chất thải đi ra. Hệ thống tuần hoàn thô sơ này được tạo nên để đáp ứng những tín hiệu thông tin hóa học giữa những vi khuẩn. Các vi khuẩn riêng lẻ và những tập hợp tế bào của chúng đôi khi tách khỏi một màng sinh học này, di chuyển và nhập vào một màng sinh học khác. Thông thường, một màng sinh học có một lớp bề mặt dày khoảng 10µm, với những cột cao khoảng 200 µm bên trên nó. Các màng sinh học. Dòng nước chuyển động (theo mũi tên từ phải sang trái) giữa các cột nhày được tạo nên do sự sinh trưởng của các vi khuẩn bám trên bề mặt cứng. Điều này cho phép vi khuẩn hấp thụ chất dinh dưỡng và thải bỏ chất thải một cách hiệu quả. Các vi khuẩn riêng lẻ tạo nhầy hoặc các vi khuẩn trong đám nhầy tách khỏi màng sinh học và di chuyển đến nơi khác. Màng sinh học gồm các vi khuẩn đang sinh trưởng bên trong các ống của một hệ thống làm lạnh 12/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Cũng giống như ở động vật có các mô khác nhau, bên trong màng sinh học có những nhóm tế bào chuyên hóa và chúng hoạt động phối hợp nhau để hoàn thành nhệm vụ phức tạp. Chẳng hạn, trong hệ tiêu hóa của động vật nhai lại, các vi khuẩn thường sống thành màng sinh học với ít nhất 5 loài khác nhau để cùng phân hủy cenlulose. Các màng sinh học cũng có một nhân tố quan trọng liên quan đến sức khỏe con người. Chẳng hạn các vi sinh vật trong màng sinh học có tính kháng các chất diệt khuẩn cao hơn khoảng 1000 lần so với ở trạng thái tự do. Các chuyên gia của CDC cho biết khoảng 65% các nhiễm khuẩn ở người có liên quan đến màng sinh học. Các màng sinh học có thể xuất hiện ở bất kỳ nơi nào mà nước và các giá thể cứng gặp nhau, chẳng hạn như bề mặt răng, bên trong các ống thông dùng trong y tế, thủy tinh thể, bên trong các ống dẫn nước. Các nguồn gây ô nhiễm Ba nguồn gây ô nhiễm đất chủ yếu – cung cấp những lượng lớn chất gây ô nhiễm- là: các bồn chứa ngầm, sự thấm từ các bãi rác, và sự thấm từ các ao chứa chất thải: Tương tác vật lý giữa các chất gây ô nhiễm và đất xảy ra, chủ yếu là sự hấp phụ và sự giải hấp phụ của các chất không phân cực. Các phản ứng hóa học cũng có thể xảy ra, bao gồm cả sự trao đổi ion. Vùng ô nhiễm hình chùm lông di chuyển chậm vào vùng không bão hòa (vadose zone), và cuối cùng thì có thể tới tận tầng nước ngầm nếu sự rò rỉ còn tiếp tục. Sự pha trộn với nước trong tầng nước ngầm thì phụ thuộc vào tỷ khối tương đối: các vùng ô nhiễm có tỷ khối nhẹ thì có xu thế nổi, các vùng ô nhiễm nặng, đặc thì có xu thế chìm xuống, còn các vùng ô nhiễm có tỷ khối ở mức trung gian thì được pha trộn tốt với nước ngầm. Sự rò rỉ xăng và nhiên liệu máy bay đã thường tạo nên những vũng nước chứa sản phẩm tự do, tồn tại rải rác khắp một thủy vực. Đặc điểm của sự rò rỉ và sự thấm từ các nguồn ấy được phân tích dưới đây và được mô tả trong hình 1.1 và 1.2. Chỉ cần một lượng nhỏ các chất gây ô nhiễm có tính độc cũng có thể gây ô nhiễm một lượng lớn nước, như có thể thấy qua ví dụ 1.1. Những sự rò rỉ hay thấm từ các nguồn ô nhiễm nói trên đều tạo thành những vùng ô nhiễm hay vùng thấm lọc hình chùm lông (contaminant plume, hoặc leachate plume). Những vùng này có xu thế xâm nhập dần xuống phía dưới; có thể tới tận tầng nước ngầm. - Sự rò rỉ các bồn chứa ngầm: Việc đặt các bồn chứa nhiên liệu lỏng ngầm dưới đất là phổ biến, nhằm tiết kiệm diện tích và bảo đảm an toàn cho cư dân gần đó. Dần dần các bồn chứa này bị ăn mòn và xuất hiện các vết rò rỉ. Các vết rò rỉ cũng xuất hiện tại các chỗ nối đường ống dẫn, do sự lắp đặt và do chấn động của đất. Thông thường, tốc độ rò rỉ là nhỏ và khó xác định, như có thể thấy qua ví dụ 1.2. Những vùng ô nhiễm hình chùm lông hình thành từ sự rò rỉ các 13/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm bồn chứa ngầm có thể chứa sản phẩm tự do, điều này khác với vùng ô nhiễm do sự rò rỉ từ các ao chứa chất thải. - Sự thấm từ các ao chứa chất thải Giống như trường hợp của các bồn chứa ngầm, tại các ao chứa chất thải cũng dần dần xuất hiện các vết rò rỉ nhỏ ở những lớp lót. Trước năm 1970, người ta ít kiểm soát thiết kế và vận hành của các ao chứa chất thải. Các ao ấy thường được xây dựng không có lớp lót, do đó nhiều chất lỏng lắng xuống đã nhanh chóng thấm vào đất. Những luật lệ hiện hành có quy định về các tiêu chuẩn cho lớp lót, về khoảng cách tới tầng nước ngầm, về việc theo dõi sự rò rỉ. Tuy nhiên hàng ngàn ao cũ được thiết kế không tốt và không có sự theo dõi về rò rỉ vẫn đang tồn tại. Những vùng ô nhiễm hình chùm lông do sự rò rỉ từ các ao chứa chất thải thì thường hầu như chứa nước trong đó có hỗn hợp các chất gây ô nhiễm. - Sự thấm từ các bãi rác Các bãi rác gây ra sự ô nhiễm đất và nước ngầm bên dưới nó là do sự thấm lọc (leaching). Các chất lỏng tích tụ ở đáy của bãi rác và di chuyển xuyên qua các lớp lót. Những vùng ô nhiễm hình chùm lông có thể là bão hòa hoặc không bão hòa, có xu thế lan xuống phía dưới và lan theo những khe hở sẵn có. Sơ đồ các vùng ô nhiễm hình thành do sự rò rỉ, sự thấm từ các bồn chứa ngầm, các ao chứa chất thải. 14/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sơ đồ vùng ô nhiễm đất và nước ngầm hình thành do sự thấm từ bãi chôn lấp rác. Ví dụ: Tốc độ rò rỉ từ một bồn chứa ngầm. Một bồn chứa xăng (tỷ trọng 0,8) do bị ăn mòn mà bị thủng một lỗ với đường kính 0,5 mm ở gần chỗ bơm lên trên. Bồn chứa có đường kính 2m, chiều dài 4m, và mỗi ngày người ta bơm trung bình 1500L từ bồn. Hãy tính: (a) tốc độ rò rỉ từ bồn theo độ sâu của xăng trong bể, (b) thể tích, và (c) tỷ lệ rò rỉ của mỗi bồn đầy xăng. Bài giải a. Tính tốc độ rò rỉ 1 π qL = AhVh = 4 d2CD(2gz) 2 Trong đó qL= tốc độ rò rỉ tính theo thể tích, m3/giây Ah = diện tích lỗ, m2 Vh= tốc độ chảy qua lỗ, m/giây d = đường kính lỗ, m CD= hệ số giảm lượng chứa 0,8 g = gia tốc trọng trường = 9,8 m/giây2 z = độ sâu của xăng trong bể, m Như vậy, qL = π 4 2 (5 × 10 − 4) (0,8)[2(9,8)]0,5z0,5 = 6,96 × 10 − 7z0,5m3 / giây b. Tính thể tích xăng bị rò rỉ từ bồn xăng đầy 15/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Trước hết hãy viết một cân bằng khối lượng cho bồn xăng, với giả sử rằng vùng không bão hoà trong đất có áp suất bằng áp suất khí quyển. ( dV dt ρkhí = m3 m3 = − ρkhí( QP+qL ) = − ρkhí 1,5 ngày + 6,96 × 10 − 7z0.5 giây ) Trong đó ρkhí= mật độ khối của khí, kg/m3 QP = tốc độ bơm dV dt m3 m3 = − 1,74 × 10 − 5 giây − 6,96 × 10 − 7z0,5 giây Thể tích trống trong bồn ở một thời điểm nào đó có thể được tính ra rất dễ dàng bằng số học, dựa vào các dữ kiện thủy lực học cho dưới đây, với giả thiết rằng tốc độ bơm là không đổi. V=L z= D 2 D2 πθ 8 180 ( ) − sinθ (V:thể tích trống) θ (1 + cos 2 ) Từ đó có thể tính được thể tích xăng bị rò rỉ theo thời gian từ bể xăng đầy, như trong bảng dưới đây. Thời gian,ngày z,m Thể tích rò rỉ,m3 Thể tích bơm,m3 Thể tích còn lại,m3 0,00 2,0 0,00 0,00 12.56 0,41 1,8 0,03 0,62 11.91 1,13 1,6 0,09 1,7 10,78 2,01 1,4 0,15 3,02 9,40 2,98 1,2 0,22 4,47 7,87 3,99 1,0 0,29 6,00 6,28 5,01 0,8 0,34 7,53 4,69 5,99 0,6 0,39 9,00 3,17 6,88 0,4 0,43 10,35 1,79 7,62 0,2 0,45 11,46 0,65 8,05 0,0 0,46 12,10 0,00 16/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm c. Tính tỷ lệ thất thoát do rò rỉ, theo thể tích VL = 0,46 m3 Tỉ lệ rò rỉ = 0,46m3 2,56m3 = 0,037 Như vậy, tỷ lệ rò rỉ là rất cao. Nếu giá xăng hiện nay (năm 2007) khoảng 12.000 đồng một lít thì thiệt hại trên mỗi bồn xăng là khoảng 5.520.000 đồng, và sau một năm sự thiệt hại lên đến khoảng 250.285.000 đồng. Đây mới chỉ là thiệt hại do một bồn xăng có một lỗ rò rỉ gây ra, chứ không phải do hàng trăm bồn trong khắp một thành phố hay trong cả nước gây ra. Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng thiệt hại này là còn rất nhỏ so với phí tổn để xử lý môi trường đất và nước ngầm ô nhiễm do sự rò rỉ ấy. Ngoài ra cần lưu ý rằng sự tổn thất sẽ khó được phát hiện nếu không có sự theo dõi rất cẩn thận. - Hai nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng nữa cho đất và nước ngầm là sự làm tràn và sự thải bỏ không đúng cách các chất độc. Ví dụ, các sự cố trong lúc vận chuyển hóa chất có thể làm tràn một lượng lớn các sản phẩm tinh khiết vào một vùng đất nhỏ hẹp. Nếu những hóa chất này tồn đọng không được xử lý thì chúng có thể thấm vào đất và cuối cùng có thể gây ô nhiễm nước ngầm tại nơi xảy ra sự cố. Sự thải bỏ không đúng cách các chất độc vẫn thường xảy ra tại nhà và tại các cơ sở thương mại, cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm đất và nước ngầm. Ví dụ người ta thường thải bỏ các dầu thải và các dung môi để rửa động cơ xe cộ từ các gara, thải các hóa chất nông nghiệp thừa ở trang trại, thải sơn và các chất rửa sơn vào đất, hoặc đốt các chất ấy. Các xưởng sản xuất ở vùng nông thôn thường thải bỏ các phế thải vào một nơi “khuất nẻo”, do đó gây ô nhiễm nặng cho đất và nước ngầm. Một vài trường hợp điển hình của sự thải bỏ tùy tiện và gây hậu quả nghiêm trọng đã được nhắc đến, như: - Tại một cộng đồng nhỏ có tên Lathrop, ở California, Mỹ, chất tráng rửa bồn chứa của xưởng sản xuất chất hun khói cho đất, dibromocloropropan (DBCP), đã được thải vào cánh đồng phía sau xưởng. Nồng độ của chất này trong nước ngầm tại đó đạt tới 1700 mg/L đã được phát hiện sau khi được biết rằng chất này gây vô sinh ở nam giới và gây ung thư. - Tại Times Beach, Missouri, Mỹ, một hỗn hợp của các chất thải hóa học và dầu của hộp trục khuỷu đã bị lạm dụng để phun trên các con đường và những khoảnh đất trần (không lát) để hạn chế bụi. Hậu quả là một số động vật bị chết, sau đó người ta phát hiện những nồng độ cao của tetraclorodibenzo(p) dioxin (TCDD, trong đất. Người ta đã khắc phục bằng cách bóc bỏ đi một lớp đất dầy hơn 15cm nhưng cuối cùng thì cộng đồng dân cư ở đây buộc phải di dời đi nơi khác. 17/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Nhận thức của xã hội về hiểm họa của ô nhiễm môi trường và về vai trò của phục hồi sinh học Từ đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học môi trường và các kỹ sư môi trường không chỉ quan tâm tới việc cung cấp nước sạch, an toàn và đạt các tiêu chuẩn thẩm mỹ, cũng như quan tâm tới việc xử lý nước thải để bảo vệ sức khỏe con người; họ còn quan tâm tới việc cải thiện môi trường nước và môi trường không khí, và gần đây nhất, họ quan tâm tới sự phục hồi các đất ô nhiễm và nước ngầm ô nhiễm, và khụng khớ ụ nhiễm. Ba chủ đề này được đề cập trong các chương 17-20. Bảo vệ môi trường và phục hồi môi trường ô nhiễm đã trở thành mối quan tâm của cả xã hội từ sau khi cuốn sách Silence Spring của Rachel Carson được xuất bản năm 1962. Cũng kể từ đó giới kỹ thuật quan tâm nhiều hơn đến những tác động khác về sinh thái học của việc thải bỏ chất thải, ngoài những vấn đề như sự truyền bệnh tật qua nước, sự mất tính mỹ quan của nước do hiện tượng “nở hoa” của tảo, sự chết cá hàng loạt, sự trôi nổi của rác, và những tác động nghiêm trọng đến ngư trường và nghề cá. Kể từ năm 1962, mọi người được giáo dục tốt hơn về những tác động sâu sắc tới mọi cơ thể sống do chúng tiếp xúc lâu dài với các chất độc trong môi trường, về tầm quan trọng của việc bảo tồn sự đa dạng nguồn gen, và về những tác động tiềm ẩn ở quy mô toàn cầu do môi trường bị làm hỏng, tại những vùng tương đối nhỏ hẹp Cũng từ đó đến nay nhiều nỗ lực được bỏ ra nhằm nâng cao nhận thức của công chúng về ý thức bảo vệ môi trường. Những cuốn sách quý giá như cuốn The Diversity of life của Wilson (1992) đã được viết theo cách thức và phong thái để dành cho những người không chuyên. Phát hiện về sự cạn kiệt ozon trong tầng bình lưu do sự phát tán của những cloro flurocacbon đã gây ra sự thảo luận rộng rãi gay gắt lúc ban đầu, và dẫn đến việc xây dựng nhiều luật lệ về môi trường, dẫn đến sự ký kết nhiều hiệp định quốc tế và sự ra đời một chương trình nghiên cứu rộng lớn về môi trường. Cũng trong thời kỳ này chúng ta tìm thấy nhiều địa điểm mà tại đó các hóa chất bị rò rỉ, bị lắng đọng, hoặc bị vứt bỏ, bừa bãi hoặc vô tình, vào đất đã gây ô nhiễm nước ngầm và làm cho nhiều vùng đất rộng lớn không sử dụng được nữa và nguy hiểm đối với con người và các dạng sống khác. Sự ô nhiễm đất và nước ngầm ở quy mô lớn là hậu quả trực tiếp của sự phát triển xã hội công nghiệp hiện đại của chúng ta. Hầu như mọi lĩnh vực của đời sống hiện đại đều sinh ra chất thải. Nền sản xuất đòi hỏi phải khai thác và chế biến tài nguyên thiên nhiênkhoáng sản, lâm sản, và dầu mỏ, và do đó đương nhiên thải ra một lượng lớn chất thải. Cho đến tận gần đây ngay cả ở nhiều nước phát triển người ta vẫn còn vứt bỏ phế thải của khai mỏ và phế thải sau thu hoạch ngay tại nơi sản xuất hoặc thải vào sông hồ. Lý do chủ yếu khiến các nhà sản xuất vứt bỏ phế thải là vì chi phí tốn kém cho việc xử lý chúng. Cho tới khi tình trạng ấy trở nên không thể chịu đựng được nữa thì các quy tắc và luật lệ về môi trường mới ra đời. 18/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Kể từ đầu thế kỷ 20 đến nay, việc sản xuất các hóa chất hữu cơ tăng lên mạnh mẽ. Tuy nhiên điều đáng chú ý hơn là có những thay đổi về chủng loại các hóa chất được sản xuất và về cách dùng chúng. Ở đầu thế kỷ 20, các hóa chất dùng trong nông nghiệp chủ yếu được sản xuất từ chất thải của động vật, tàn dư thực vật, và các chất vô cơ. Ngày nay, hàng loạt sản phẩm được điều chế từ dầu mỏ đang được dùng làm thuốc diệt sinh vật có hại (pesticides) và thuốc diệt cỏ (herbicides). Nhiều chất trong số đó, sau một thời gian dài được sử dụng rộng rãi khắp thế giới mới được biết là độc đối với sự sống hoang dã và cá (ví dụ DDT), rất độc đối với động vật có vú (ví dụ các pesticide có gốc photphat, như parathion), hoặc gây ung thư (ví dụ các chất halogen hóa, như các biphenyl polyclo hóa ở mức cao và dibromocloropropan). Việc dùng một hóa chất để diệt trừ một loại sâu hại nào đó có thể làm rối loạn cân bằng quần thể do đó dẫn đến sự tăng không mong muốn của một loài khác. Các sản phẩm từ dầu mỏ xưa nay được dùng chủ yếu làm nhiên liệu. Tuy nhiên, hàng loạt hóa chất được điều chế từ dầu mỏ đang được dùng trong xã hội hiện đại thì nhiều đến mức choáng ngợp: các chất dẻo, các dược phẩm, các pesticide, các thuốc diệt cỏ, và các chất tẩy rửa. Vấn đề ô nhiễm đất và nước ngầm ở khắp nơi trên thế giới chắc chắn là do sự rò rỉ từ các bể ngầm chứa nhiên liệu. Cục Bảo vệ Môi trường (EPA) của Mỹ xác định rằng có 200.000 địa điểm có các bể ngầm rò rỉ tại Mỹ. Gần như là phổ biến, việc nhiễm dầu của động cơ vào đất là do những sự cố trong quá trình vận chuyển dầu mỏ. Khi ấy dầu chảy tràn từ các bể chứa bị hỏng đã gây nên sự hư hại về sinh thái học ở khắp nơi trên thế giới. Những lượng lớn thuốc trừ sâu và chất diệt cỏ đang được dùng ở quy mô thương mại và quy mô nhỏ ở mọi nơi. Sự vứt bỏ các dụng cụ chứa chúng là một vấn đề nghiêm trọng, nhất là các dụng cụ chứa nhỏ (bình, chai, lọ) được dùng trong nhà và ngoài vườn. Hầu hết các bình chứa này được vứt bỏ vào bãi rác công cộng hoặc vào các lò thiêu đốt và chúng giải phóng các chất độc vào môi trường một cách không thể kiểm soát. Việc thải bỏ các hóa chất công nghiệp vào các bãi chôn lấp rác đã trở thành một vấn đề có tính quốc gia, khi ở Mỹ sự kiện về khu vực bãi rác Love Canal, vùng Niagara, New York, gây một dư luận ồn ào trong những năm 1970. ở đó, số các trường hợp sẩy thai và sinh đẻ không bình thường là rất cao so với các vùng khác. Kể từ đó bắt đầu một giai đoạn mới trong nhận thức của chúng ta về môi trường. Việc phục hồi đất ô nhiễm và nước ngầm ô nhiễm đã trở thành một ngành công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới. Các vấn đề về ô nhiễm đất và nước ngầm được phân loại như trong bảng 1.2. Đất ô nhiễm và nước ngầm ô nhiễm có thể được phục hồi bằng nhiều biện pháp vật lý, hóa học và sinh học. Trong phục hồi sinh học, các chất vô cơ và/ hoặc hữu cơ được loại bỏ khỏi đất và nước ngầm thông qua hoạt động của vi sinh vật. Các chất đích cho phục hồi sinh học bao gồm nhiều chất hữu cơ, kim loại nặng, như thủy ngân, và các ion độc tiềm ẩn như cyanid (CN-) và các nitrat (). Nhiều chất gây ô nhiễm một khi lắng đọng trong đất hoặc nước ngầm thì bị chuyển hóa sang trạng thái không gây ô nhiễm, trong các điều kiện bình thường ở nơi đó. Ví dụ, nếu một chai nước cam bị đổ ra trên mặt đất, 19/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm thì các hợp phần hữu cơ sẽ bị phân hủy trong một thời gian tương đối ngắn nhờ các vi khuẩn sống tự nhiên trong đất. Thời gian phân hủy hết những chất ấy tùy thuộc vào các tính chất của đất, nhiệt độ và sự có mặt của các chất dinh dưỡng cần cho sinh trưởng của vi sinh vật, nhưng các chất hữu cơ trong nước cam sẽ bị vi sinh vật phân hủy đến những trạng thái oxy hóa thấp nhất của chúng. Trái lại, với những chất chưa chắc chắn bị phân hủy một cách tự nhiên như trên, hoặc bị phân hủy quá lâu thì cần áp dụng phục hồi sinh học. Đó thường là trường hợp của các chất nhân tạo và các chất lạ sinh học (xenobiotics). Phân loại sự ô nhiễm đất và nước ngầm. Tính Nhóm chất gõy ụ Các địa điểm ô nhiễm điển hình linh nhiễm động Các hóa chất công nghiệp Hiệu ứng gây độc Xưởng sản xuất, máy phân phối Nói - Các bệnh của hệ hóa chất, đồng ruộng, máy phun chung thần kinh.- Ung thư hóa chất rất thấp Trạm bơm xăng, căn cứ quân sự, cơ sở lọc dầu Thấp đến trung bình Sơn Bãi rác Trung - Ngộ độc kim loạibình Hư hỏng hệ thần kinhđến cao Ung thư Dung môi Xưởng điện tử, gara, căn cứ quân sự Trung - Sinh ung thư- Tổn bình thương thần kinh đến cao Các hydrocacbon đa vòng thơm (PAHs) Nơi sản xuất khí than Thấp đến trung bình Một số PAH sinh ung thư hoặc bị nghi như vậy Các biphenyl poly clo hóa (PCBs) Máy biến áp điện Thấp Ung thư Các dioxin Xưởng hóa chất, khói từ xe cộ, nơi đốt chất thải Thấp Sinh khối u Xăng và diesel Sinh ung thư Trong những năm gần đây, các hệ thống xử lý sinh học đã được áp dụng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm ra khỏi các môi trường, cả đất, nước, và khí. 20/28
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan