Nâng cao hiệu quả loại bỏ chì trong nước thải ô nhiễm chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn khử Sulfate nội tại thu được từ nước thải ô nhiễm - Kiều Thị Quỳnh Hoa

TẠP CHÍ SINH HỌC 2013, 35(3se): 73-78 73 NÂNG CAO HIỆU QUẢ LOẠI BỎ CHÌ TRONG NƯỚC THẢI Ô NHIỄM CHÌ CỦA HỖN HỢP CHỦNG VI KHUẨN KHỬ SULFATE NỘI TẠI THU ĐƯỢC TỪ NƯỚC THẢI Ô NHIỄM Kiều Thị Quỳnh Hoa*, Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thị Yến, Vương Thị Nga Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam, *ktquynhhoa@ibt.ac.vn TÓM TẮT: Xử lý nước thải nhiễm chì (Pb) thông qua phản ứng kết tủa giữa ion chì hòa tan độc hại và ion sulfide tạo ra bởi vi khuẩn khử sulfate (KSF) đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới bởi hiệu quả xử lý cao, kinh tế và an toàn với môi trường. Tuy nhiên, bên cạnh các yếu tố như pH, nguồn carbon, tỷ lệ COD/SO42- là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải nhiễm chì. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- tới khả năng tạo sulfide và loại chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF DM10 (consortium of SRB-DM10) thu được từ nước thải làng nghề tái chế chì thôn Đông Mai, tỉnh Hưng Yên. Kết quả cho thấy, trong số các hỗn hợp chủng nghiên cứu, hỗn hợp chủng DM10 có khả năng chống chịu chì cao (100 mg/l). Khả năng sinh trưởng của hỗn hợp chủng DM10 tốt nhất khi tỷ lệ COD/SO42- là 3 với 92% lượng sulfate ban đầu được chuyển hóa tạo thành 456 mg sulfide/l sau 6 ngày thí nghiệm. Trong môi trường bổ sung 50-100 mg chì/l và tỷ lệ COD/SO42- là 2 và 3, hiệu quả loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 đạt tới 99-100%. Do đó, tỷ lệ COD/SO42- là 2 phù hợp để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhiễm chì. Từ khóa: kết tủa chì, khử sulfate, nước thải ô nhiễm chì, tạo sulfide, vi khuẩn KSF. MỞ ĐẦU Ở Việt Nam hiện có hàng trăm làng nghề sản xuất và tái chế kim loại như đúc đồng, tái chế chì, mạ, gia công cán thép. Tuy nhiên, do phần lớn các làng nghề đều sản xuất thủ công chưa tập trung, chưa có hệ thống thoát nước và xử lý nước thải nên đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người và môi trường. Làng nghề tái chế chì thôn Đông Mai, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên là một trong những làng nghề ô nhiễm kim loại nặng cần được đặc biệt quan tâm. Nước thải ô nhiễm chì từ quá trình sản xuất, tái chế pin, ắc quy xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp, tiêu hóa, gây ức chế một số enzyme quan trọng, làm rối loạn quá trình tạo huyết ở tủy, phá vỡ quá trình tạo hồng cầu, gây hại đến hệ thần kinh, nhất là hệ thần kinh của trẻ sơ sinh [4]. Các phương pháp chủ yếu được ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung và chì nói riêng là phương pháp hóa-lý (kết tủa hóa học, oxy hóa-khử, trao đổi ion, xử lý điện hóa) và sinh học (hấp phụ và hấp thụ bằng thực vật thủy sinh, vật liệu sinh học; chuyển hóa sinh học bằng sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật) [10, 12, 15]. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phương pháp xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng (Cu, Ni, Fe, Zn, Cd, Hg, Cr) bằng vi khuẩn KSF thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới và đạt được những thành công nhất định [6, 9, 13, 16]. Phương pháp này dựa trên khả năng khử ion sulfate (SO42-) đồng thời oxy hóa các hợp chất hữu cơ (lactate, acetate, ethanol, methanol) tạo ion sulfide (H2S, HS- và S2-) của vi khuẩn KSF. Ion sulfide phản ứng với ion kim loại hòa tan độc hại tạo kết tủa kim loại dưới dạng sulfide bền vững [8, 11]. Phản ứng loại bỏ chì của vi khuẩn KSF sử dụng lactate như sau: 2CH3CHOHCOOH + 3SO42- → 3H2S + 6HCO3- Pb2+ + H2S → PbS↓ + 2H+ Ưu điểm của phương pháp này là giá thành xử lý phù hợp, không tạo hóa chất tồn dư gây ô nhiễm thứ cấp, lượng cặn tạo ra từ kết tủa sulfide không đáng kể. Hơn nữa, kết tủa chì dưới dạng sulfide bền vững không những an toàn với môi trường mà còn có thể thu hồi và tái chế [5]. Như trên đã đề cập, hàm lượng sulfide có ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả xử lý do ion sulfide phản ứng với ion chì tạo kết tủa dưới dạng sulfide bền vững. Vì vậy, để quá trình xử lý nước thải nhiễm kim loại nặng nói chung và chì nói riêng ổn định và đạt hiệu quả cao, việc Kieu Thi Quynh Hoa, Nguyen Thanh Binh, Dang Thi Yen, Vuong Thi Nga 74 kiểm soát hàm lượng sulfide tạo ra thông qua lựa chọn tỷ lệ COD/SO42- phù hợp là vô cùng quan trọng, đặc biệt đối với những hệ thống xử lý hoạt động trong thời gian dài. Nếu tỷ lệ COD/SO42- quá thấp, dẫn đến hàm lượng sulfide tạo ra không đủ để loại bỏ hết ion chì trong nước thải, còn nếu hàm lượng sulfide dư thừa (do tỷ lệ COD/SO42- cao) sẽ ức chế khả năng sinh trưởng của vi khuẩn KSF làm giảm hiệu quả xử lý. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF nghiên cứu để lựa chọn tỷ lệ COD/SO42- phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhiễm chì ở Đông Mai, Hưng Yên. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu Hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF từ các mẫu bùn và nước nhiễm chì được làm giàu trên môi trường Postgate B (PB) [14]. Môi trường Postgate C (PC) cải tiến [14] được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của chì và tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng tạo sulfide và loại bỏ chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF nghiên cứu. Phương pháp Nghiên cứu khả năng chống chịu chì của các hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF trên môi trường Pc cải tiến bổ sung hàm lượng chì khác nhau (0, 25, 50, 100, 150, và 200 mg/l). Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- tới khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn trên môi trường Pc cải tiến với hàm lượng lactate khác nhau và hàm lượng sulfate không đổi (2000 mg/l) sao cho tỷ lệ COD/SO42- lần lượt là 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; và 6. Nghiên cứu khả năng loại bỏ chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn trên môi trường Pc cải tiến bổ sung 50 và 100 mg/l chì với tỷ lệ COD/SO42- là 0,5; 1; 2; và 3. Phương pháp phân tích: mẫu được phân tích dựa vào phương pháp tiêu chuẩn [1]. Hàm lượng chì hòa tan được đo bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử (Perkin Elmer, Model 3300, Mỹ). Hàm lượng sulfate được xác định bằng phương pháp đo độ đục dựa vào kết tủa BaSO4 bằng máy quang phổ (SP-3000 Nano, Nhật Bản). Hàm lượng sulfide được xác định bằng phương pháp so màu dựa trên kết tủa CuS bằng máy quang phổ (SP-3000 Nano, Nhật Bản). KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Lựa chọn hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF có khả năng chống chịu chì cao Đã nuôi cấy làm giàu được 11 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF (ký hiệu từ DM1 đến DM11) từ các mẫu nước và bùn nhiễm chì thu được tại thôn Đông Mai, Hưng Yên. Bảng 1. Khả năng chống chịu chì của 11 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau 7 ngày Sự sinh trưởng của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF Pb (mg/l) DM1 DM2 DM3 DM4 DM5 DM6 DM7 DM8 DM9 DM10 DM11 0 + + + + + + + + + + + 25 +/- + + + + + + -/+ + + + 50 - + +/- -/+ + + + - - + + 100 - - -/+ - + -/+ +/- - - + -/+ 150 - - - - - - - - - - - 200 - - - - - - - - - - - 250 - - - - - - - - - - - (+). sinh trưởng tốt; (-). không sinh trưởng; (+/-). sinh trưởng trung bình; (-/+). sinh trưởng kém. Kết quả nghiên cứu khả năng chống chịu chì của các hỗn hợp chủng (hình 2, 3 và bảng 1) cho thấy, trong số 11 hỗn hợp chủng vi khuẩn nghiên cứu, có 9 hỗn hợp chủng sinh trưởng tốt trong môi trường bổ sung chì với hàm lượng 25 mg/l; 6 hỗn hợp chủng sinh trưởng tốt trong môi trường bổ sung chì với hàm lượng là 50 mg/l. Đặc biệt, khả năng chống chịu chì của hỗn hợp TẠP CHÍ SINH HỌC 2013, 35(3se): 73-78 75 chủng DM5 và DM10 là cao nhất lên tới 100 mg/l. Hao và cs (1994) đã thông báo khả năng chống chịu chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF thu được trong nước thải nhiễm chì là 70 mg/l [7] và bị ức chế khi hàm lượng chì trên 70 mg/l. Tuy các hỗn hợp chủng DM5 và DM10 đều có khả năng chống chịu chì cao, nhưng hỗn hợp chủng DM10 được lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo do hàm lượng sulfide tạo ra sau 7 ngày nuôi cấy trong môi trường bổ sung 100 mg chì/l cao hơn hỗn hợp chủng DM5 (hình 3). Hình 2. Hỗn hợp chủng DM10 trên môi trường với hàm lượng chì khác nhau sau 7 ngày Hình 3. Hàm lượng sulfide tạo ra từ 11 hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF sau 7 ngày Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng vi khuẩn DM10 Tỷ lệ COD/SO42- là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo sulfide của vi khuẩn khử sulfate. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 được thể hiện ở hình 4, 5 và 6. Kết quả cho thấy, khi tỷ lệ COD/SO42- trong môi trường tăng từ 0,5 đến 6, 46-92% lượng sulfate ban đầu được chuyển hóa thành sulfide với hàm lượng dao động từ 143 đến 456 mg/l sau 6 ngày nuôi cấy. Trong đó, hàm lượng sulfide tạo ra (425- 456 mg/l) và sulfate được chuyển hóa (91-92%) ở tỷ lệ COD/SO42- -3 và 4 là cao nhất. Kết quả này gần giống với kết quả đạt được trong nghiên cứu của Damianovic et al. (2007) [3]. Tác giả đã thông báo 91% lượng sulfate ban đầu được khử ở tỷ lệ COD/SO42- trên 2,5 trong môi trường có hàm lượng sulfide không đổi là 1960 mg/l. Tuy nhiên, hàm lượng sulfide tạo ra bởi hỗn hợp chủng DM10 tăng dần khi tỷ lệ COD/SO42- tăng từ 0,5 đến 4 và hàm lượng này giảm dần khi tỷ lệ COD/SO42- là 5 và 6 (hình 5). Ở tỷ lệ COD/SO42- là 6, hàm lượng sulfide là 210 mg/l, chỉ bằng một nửa khi tỷ lệ COD/SO42- là 3 sau 6 ngày nuôi cấy. Hàm lượng sulfide giảm dần có thể là do khi tỷ lệ COD/SO42- cao, hợp chất hữu cơ trong môi trường dư thừa khiến vi khuẩn KSF bị ức chế. Choi và Rim đã thông báo rằng vi khuẩn KSF bị ức chế khi tỷ lệ COD/SO42- trên 2,7 [2]. Hình 4. Hỗn hợp chủng DM10 trên môi trường với tỷ lệ COD/SO42- khác nhau sau 14 ngày Kieu Thi Quynh Hoa, Nguyen Thanh Binh, Dang Thi Yen, Vuong Thi Nga 76 Hình 5. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng tạo sulfide của hỗn hợp chủng DM10 Hình 6. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng khử sulfate của hỗn hợp chủng DM10 Đánh giá khả năng loại bỏ chì của hỗn hợp chủng vi khuẩn KSF lựa chọn Việc xác định tỷ lệ COD/SO42- phù hợp cho khả năng tạo sulfide và loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 là vô cùng quan trọng. Biết được tỷ lệ COD/SO42- thấp nhất mà ở đó hỗn hợp chủng DM10 có khả năng tạo sulfide và loại bỏ chì tốt sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhiễm chì. Kết quả đánh giá khả năng loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 trong môi trường bổ sung 50 và 100 mg chì/l cho thấy, với hàm lượng chì 50 mg/l, hiệu quả loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 ở các tỷ lệ COD/SO42- từ 1 đến 3 ở mức cao (98-100%). Tuy nhiên, khi hàm lượng chì tăng lên 100 mg/l thì hiệu quả loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 ở tỷ lệ COD/SO42-1 giảm xuống còn 87%, trong khi ở tỷ lệ COD/SO42--2 và 3 hầu như không giảm (99%). Với tỷ lệ COD/SO42- là 0,5, hiệu quả loại bỏ chì thấp nhất lần lượt là 65 và 36 % trong môi trường bổ sung chì với hàm lượng 50 và 100 mg/l. Từ kết quả thu được, chúng tôi lựa chọn tỷ lệ COD/SO42--2 đối với hỗn hợp chủng DM10 cho những nghiên cứu xử lý nước thải nhiễm chì tiếp theo. Bảng 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/SO42- lên khả năng loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 sau 14 ngày Hiệu quả loại bỏ chì (%) COD/SO42- Hàm lượng chì 0,5 1 2 3 50 mg/l 65% 98% 100% 100% 100 mg/l 36% 87% 99% 99% KẾT LUẬN Đã nghiên cứu lựa chọn được hỗn hợp chủng vi khuẩn khử sulfate DM10 có khả năng chống chịu chì cao. Hỗn hợp chủng DM10 có thể sinh trưởng trên tất cả các tỷ lệ COD/SO42- từ 0,5 đến 6, tốt nhất ở tỷ lệ COD/SO42- là 3. Hiệu quả loại bỏ chì của hỗn hợp chủng DM10 tới 99-100% khi tỷ lệ COD/SO42- là 2 và 3. Tỷ lệ COD/SO42--2 cho những nghiên cứu tiếp theo để kiểm soát hàm lượng sulfide do hỗn hợp chủng DM10 tạo ra nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nhiễm chì. Lời cảm ơn: Công trình này được hỗ trợ về kinh phí của Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (Nafosted), mã số 106.16- 2012.77. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. APHA., 1998. Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 20th ed. APHA, Washington, DC. TẠP CHÍ SINH HỌC 2013, 35(3se): 73-78 77 2. Choi E., Rim J. M., 1991. Competition and inhibition of sulfate reducers and methane producers in anaerobic treatment. Water Sci. Technol., 23: 1259-1264. 3. Damianovic M. H. R. Z., Foresti E., 2007. Anaerobic degradation of synthetic wastewaters at different levels of sulfate and COD/sulfate ratio in Horizontal-flow anaerobic reactors. Environ. Eng. Sci., 24(3): 383-398. 4. Lê Đức, 2000. Ảnh hưởng của nghề nấu tái chế chì (Pb) thủ công đến sức khoẻ cộng đồng và môi trường tại thôn Đông Mai - xã Chỉ Đạo - huyện Mỹ Văn - tỉnh Hưng Yên. Tuyển tập các công trình nghiên cứu khoa học, Nxb. Đại học Quốc gia, Hà Nội: 89. 5. Gallegos-Garcia M., Celis L.B., Rangel- Méndez R., Razo-Flores E., 2009. Precipitation and recovery of metal sulfides from metal containing acidic wastewater in a sulfidogenic down-flow fluidized bed reactor. Biotechnol. and Bioeng., 102: 91- 99. 6. Goncalves M. M. M., da Costa A. C. A., Leite S. G. F., Sant’Anna G. L., 2007. Heavy metal removal from synthetic wastewaters in an anaerobic bioreactor using stillage from ethanol distilleries as a carbon source. Chemosphere., 69: 1815- 1820. 7. Hao O. J., Huang L., Chen J. M., Bugass R. L., 1994. Effects of metal additons on sulfate reduction activity in wastewater. Toxicol Environ Chem, 46: 197-211. 8. Hulshof A. H. M., Blowes D. M., Gould W. D., 2006. Evaluation of in situ layers for treatment of acid mine drainage: A field comparison. Water Res., 40: 1816-1826. 9. Kieu T. Q. H., Peter S., Lai T. H., Le, T. L., Jörn K., 2003. The anaerobic lab-scale test of heavy metal wastewater treatment in Vanchang craft-settlement, Nam Dinh province. International workshop: Environmental and Sustainable development of traditional craft-settlements. pp, 87-93. 10. Kim Đặng Đình Kim, Trần Văn Tựa, Đặng Hoàng Phước Hiền, Lê Thu Thủy, Hoàng Thị Bảo, 1999. Sử dụng các chất hấp phụ sinh học để xử lý ô nhiễm Cr, Ni và Pb trong nước thải công nghiệp. Tuyển tập hội nghị Công nghệ Sinh học toàn quốc, Hà Nội: 552-557. 11. Neculita C. M., Zagury G. J., Bussiere B., 2007. Passive treatment of acid mine drainage in bioreactors using sulfate- reducing bacteria: Critical review and research needs. J. Environ. Qual., 36: 1-16. 12. Đặng Phương Nga, Kiều Thị Quỳnh Hoa, Phạm Thị Hằng, Lại Thúy Hiền, 2007. Khả năng khử kim loại nặng của một số chủng vi khuẩn khử sunphat phân lập từ nước thải làng nghề Vân Chàng, Nam Định. Những vấn đề nghiên cứu cơ bản trong Khoa học sự sống, Hà Nội: 891-894. 13. Peter S., Sucha V., 1999. Experiences with an in-situ and passive treatment of heavy metal polluted water-a posibility also for the Namdinh region. International workshop: Environmental protection, community health for sustainable development of craft manufacturing settlements in Namdinh, 59. 14. Postgate J. R., 1984. The sulfate-reducing bacteria, 2nd ed. Cabridge: Cambridge University Press, 27-28. 15. Trần Văn Tựa, Hồ Tú Cường, Đặng Đình Kim, 2003. Một số dẫn liệu về độc tính và sự hấp thu kim loại nặng của tế bào vi tảo. Những vấn đề nghiên cứu cơ bản trong Khoa học và sự sống, Hà Nội: 787-789 16. Zaluski M., Canty M., Trudnowski J., 2000. Application of sulfate-reducing bacteria for passive remediation of water contaminated with metal. MSE Tech. Appl., Inc. 200 Technology Way, Butte, Montana 59701, USA, 20-28. Kieu Thi Quynh Hoa, Nguyen Thanh Binh, Dang Thi Yen, Vuong Thi Nga 78 LEAD REMOVAL ENHANCEMENT BY AN INDIGENOUS CONSORTIUM OF SULFATE-REDUCING BACTERIA CULTIVATED FROM THE LEAD- CONTAMINATED WASTEWATE Kieu Thi Quynh Hoa, Nguyen Thanh Binh, Dang Thi Yen, Vuong Thi Nga Institute of Biotechnology, VAST SUMMARY Biological production of sulfide using sulfate-reducing bacteria (SRB) and high affinity of sulfide to react with divalent metallic cations have important potential in treatment of heavy metal contaminated wastewater. The feed COD/SO42- ratio is an important parameter has been proposed to control the hydrogen sulfide production by SRB. The effect of the feed COD/SO42- ratio on the sulfide production and removal of dissolved lead of a consortium of sulfate-reducing bacteria (DM10) cultivated from Dong Mai, Hung Yen was investigated in this study. The results showed that among 11 investigated consortiums, DM10 has highest tolerant capacities for lead. A maximum sulfide concentration of 425-456 mg/l was observed at a feed COD/SO42- ratio of 3, with sulfate conversions of 91-92% after 6 days. The DM10 was able to remove up to 98-100% of the initial dissolved lead (50 and 100 mg/l) with a feed COD/SO42- ratio of 2 and 3. Keywords: Lead contaminated wastewater, lead precipitation, sulfate removal, sulfate-reducing bacteria, sulfide production Ngày nhận bài: 30-6-2013