Sinh học - Chương 4: Xử lý sinh học chất thải

CHƯƠNG 4 Xử lý sinh học chất thải TS. Lê Quốc Tuấn Khoa Môi trường và Tài nguyên Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh Giớùi thiệäu chung ™ Chấát gâyâ ôâ nhiễmã môiâ trườøng cóù nguồàn gốác kháùc nhau. ™ Cóù thểå tìm thấáy ởû cáùc môiâ trườøng: biểån, cửûa sôngâ , hồà, đấát. ™ Việäc loạïi thảûi cáùc chấát gâyâ ôâ nhiễmã từø nhữngõ vùøng đãõ bị ôâ nhiễmã đượïc gọïi làø “Sửûa chữã sinh họïc” (Bioremediation). ™ Sửûa chữã sinh họïc đượïc thựïc hiệän bởûi cáùc vi sinh vậät vàø hoạït độäng củûa chúùng. ™ Việäc sửûa chữã sinh họïc cóù thểå đượïc tăngê cườøng qua quáù trình cung cấáp chấát dinh dưỡngõ cho VSV hoặëc tăngê cườøng quầàn sốá lượïng vi sinh vậät tạïi vùøng cầàn xửû lýù. N o â n g t r a ï i C h a û y t r a ø n b e à m a ë t Hồ Nước mưa Khí thải Hầm mỏ Thải từ hầm mỏ Rò rỉ, chảy tràn B a õ i c h o â n l a á p Chì rơi xuống hồ Lắng nền đáy Đập Thành phố Chất thải từ các nhà máy Đập Bến đậu thuyền Bải chôn lấp hóa chất Chảy tràn Khu xử lý bùn thải Bãi bồ lấp, chôn chất thải Bến cảng Bải chôn lấp cũ Bải chôn lấp chất thải nguy hại Vị trí xử lý bùn thải Dầu tràn Vị trí có sự hiện diện chất gây ô nhiễm Giàn khoan dầu ngoài khơi Bùn thải từ giàn khoan Đại dươngN g u o à n g o á c c u û a c h a á t t h a û i đ i v a ø o t r o n g m o â i t r ư ơ ø n g Chấát gâyâ ôâ nhiễmã môiâ trườøng ™ Vôâ cơ ™ Kim loạïi: Cd, Hg, Ag, Co, Pb, Cu, Cr, Fe ™ Chấát phóùng xạï, nitrate, nitrite, phosphate, Cyanide ™ Hữũ cơ ™ Phânâ hủûy sinh họïc: nướùc thảûi, bùøn thảûi, chấát thảûi nôngâ nghiệäp vàø chếá biếán ™ Chấát thảûi hóùa dầàu: dầàu, diesel, BTEX ™ Chấát thảûi tổång hợïp: thuốác trừø sâuâ , diệät cỏû, HCHC cóù halogen, hydrocarbon mạïch vòøng ™ Sinh họïc: cáùc mầàm bệänh (vi khuẩån, virus) ™ Khí ™ Khí: SO2, CO2, NOx, methane ™ Cáùc hợïp chấát hữũ cơ bay hơi, CFC, hạït bụïi Chấát thảûi vôâ cơ ™ Kim loạïi vàø cáùc hợïp chấát vôâ cơ kháùc thảûi vàøo môiâ trườøng từø cáùc hoạït độäng khai tháùc mỏû, luyệän kim, chếá tạïo pin, trồàng trọït ™ Nhiềàu kim loạïi làø cầàn thiếát cho sinh vậät nhưng vớùi nồàng độä cao thì cóù thểå trởû nênâ độäc ™ Kim loạïi đượïc hấáp thu vàø tích lũỹ trong chuỗiã thứùc ănê sinh tháùi vớùi nồàng độä cao trong quáù trình pháùt táùn sinh họïc ™ Kim loạïi khôngâ thểå bị phânâ hủûy bởûi cáùc quáù trình hóùa họïc hoặëc sinh họïc, do đóù việäc xửû lýù kim loạïi phảûi làø quáù trình tậäp trung (ngănê cảûn quáù trình pháùt táùn), đóùng góùi hoặëc táùi chếá Gâyâ phúù dưỡngõHoạït độäng nôngâ nghiệäpPhosphate Gâyâ bỏûng, mưa acidĐốát nhiênâ liệäuSO2 Ung thư, thiếáu máùuChảûy tràøn bềà mặët, bảûo quảûn thịt Nitrate/Nitrite Mấát cânâ bằèng hệä thốáng thầàn kinh, chếát Sảûn xuấát chlor-alkali, thuốác trừø sâuâ , diệät nấám Thủûy ngânâ Mấát cânâ bằèng hệä thốáng thầàn kinh Sảûn xuấát pin, acquy, xăngêChì Ung thư thậänSảûn xuấát pinCadmium Ung thư phổåiSơn nhàø, quéùt vôiâBụïi amian ĐộäcLuyệän kim, thuốác trừø sâuâArsenic ẢÛnh hưởûngNguồàn gốácChấát thảûi vôâ cơ Nguồn gốc và ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm Kim loại trong nước thải Nước mỏ, nước thải các nhà máy, nước trong môi trường Hấp thu Kết tủa Tách chiết Bùn hoạt tính Phục hồi kim loại sử dụng được Tái sử dụng tài nguyên Loại thải kim loại độc Ô nhiễm môi trường Chất hấp thu vô cơ, hữu cơ và sinh học Vi sinh vật và sinh khối Arthrobacter Bacillus Tannin (thủy phân được, cô đặc) Hạt gel tannin Sử dụng hiệu quả Các bước xử lý kim loại Hấáp thu sinh họïc ™ Cáùc vậät liệäu sinh họïc cóù thểå hấáp thu nhiềàu kim loạïi kháùc nhau ™ Phảûn ứùng củûa tếá bàøo vi khuẩån đốái vớùi nồàng độä cao củûa kim loạïi cóù thểå làø mộät trong cáùc quáù trình sau: ™ Loạïi ra khỏûi tếá bàøo ™ Lấáy năngê lượïng từø kim loạïi ™ Côâ lậäp nộäi bàøo bởûi cáùc protein ™ Côâ lậäp ngoạïi bàøo bằèng cáùc polysaccharide trênâ màøng ™ Biếán đổåi hóùa họïc ™ Việäc sửû dụïng vậät liệäu sinh họïc đểå xửû lýù kim loạïi thườøng qua 2 dạïng: ™ Qua quáù trình khửû độäc tính củûa kim loạïi ™ Phụïc hồài cáùc kim loạïi cóù giáù trị cao Cơ chế hấp thu sinh học Bên ngoài màng Bên trong màng Màng ngoài Màng tế bào Không bào Thẩm thấu Kênh ion Bơm ra Khử Tạo phức hợp với nhóm -SH Kết tủa (OH-, S2-) Hấp thu sinh học Protein vận chuyển Thio neinCác nhóm chức năng Mô hình phản ứng hấp thu sinh học kim loại 1. Dịch chứa kim loại 2. Chảy giọt 3. Kiểm soát lưa tốc 4. Ống dẫn 5. Cấp dịch 6. Chất hấp thu 7. Bể phản ứng 8. Thoát nước 9. Bể chứa 10. Dịch không chứa kim loại Lắéng ngoạïi bàøo ™ Trong môiâ trườøng cóù sulphate, kim loạïi nặëng cóù thểå đượïc loạïi thảûi bằèng hoạït độäng củûa vi sinh vậät kỵ khí Desulfovibrio vàø Desulfotomaculum 1. 3SO42- + 2 lactic acid Ỉ 3H2S + 6HCO3- 2. H2S + Cu2+Ỉ CuS + 2H+ ™ HCO3- trong phảûn ứùng 1 phânâ hủûy tạïo thàønh CO2 vàø nướùc, làøm tăngê pH vàø tăngê quáù trình kếát tủû sulphide ™ Lượïng dư H2S thườøng gâyâ độäc vàø ănê mòøn thiếát bị, nênâ cóù thểå điềàu chỉnh nguồàn carbon cung cấáp, hoặëc cũngõ cóù thểå đượïc xửû lýù bởûi vi khuẩån lưu huỳønh. ™ Cóù thểå sửû dụïng môâ hình bùøn hoạït tính ngượïc dòøng xửû lýù kim loạïi nặëng Dưỡng chất Dịch chứa kim loại Chất tạo bông Bùn hoạt tính Tách bùn Loại sulphide Nước sạch H2SBể phản ứng qua lớp bùn hoạt tính kỵ khí để loại bỏ kim loại Cáùc chấát vôâ cơ kháùc ™ Cáùc chấát vôâ cơ kháùc như nitrate, phosphate, sulphate, cyanide vàø arsenic ™ Nitrate, phosphate chủû yếáu từø cáùc côngâ trình xửû lýù nướùc thảûi, chảûy tràøn bềà mặët qua cáùc vùøng nôngâ nghiệäp, côngâ nghiệäp vàø đượïc pha loãngõ ởû cáùc con sông⠙ Tuy nhiênâ vớùi nôngâ độä cao thì chúùng sẽõ gâyâ nênâ hiệän tượïng phúù dưỡngõ làøm giảûm chấát lượïng nướùc ™ Mộät sốá vi sinh vậät cóù khảû năngê loạïi nitrate vàø phosphate trong đóù cóù tảûo lụïc ™ Mộät lượïng lớùn cyanide từø khai tháùc vàøng. Cyanide cóù thểå đượïc loạïi thảûi bởûi cáùc táùc nhânâ oxi hóùa như chlorine hoặëc peroxide ™ Cáùc PP sinh họïc cũngõ đang đượïc nghiênâ cứùu như hấáp thu sinh họïc cyanid bằèng nấám mốác Fusarium lateritium Hiệän tượïng phúù dưỡngõ (ởû sôngâ ) Hiệän tượïng phúù dưỡngõ ởû biểån (thủûy triềàu đỏû) Chấát thảûi cóù nguồàn gốác từø dầàu mỏû ™ Dầàu mỏû làø mộät phứùc hợïp gồàm cáùc hợïp chấát hữũ cơ ™ Thàønh phầàn chính trong dầàu mỏû làø hydrocarbon cóù phânâ tửû lượïng từø thấáp đếán cao, cóù cấáu trúùc phânâ tửû phứùc tạïp (mạïch thẳúng, mạïch nháùnh, vòøng, vòøng thơm) ™ Ngoàøi ra còøn cóù cáùc hợïp chấát dị vòøng chứùa sulphur, nitrogen, oxygen vàø kim loạïi nặëng Dầàu thô⠙ Dầàu thôâ làø kếát quảû củûa quáù trình phânâ hủûy kỵ khí xáùc sinh vậät trong thờøi gian dàøi dướùi đấát. ™ Trong điềàu kiệän áùp suấát vàø nhiệät độä cao cáùc chấát hữũ cơ chuyểån thàønh khí, dầàu lỏûng, dầàu sệät vàø hắéc ín. ™ Mộät phầàn trong dầàu thôâ cóù chứùa BTEX vàø PAH. Khi dầàu thôâ bị đẩåy lênâ mặët đấát do áùp suấát vàø nhiệät độä cao hoặëc bị ròø rỉ từø cáùc bểå chứùa thì cáùc nàøy đi vàøo môiâ trườøng. ™ BTEX vàø PHA làø cáùc hợïp chấát độäc, mặëc dùø khôngâ tan trong nướùc, dễã di chuyểån vàø cóù thểå gâyâ ôâ nhiễmã nướùc ngầàm Sự phân bố hydrocarbon trong đất từ sự cố rò rỉ dầu (Bossert và Compeau, 1995) Bể chứa dầu bị rò rỉ Bay hơi Đá không thấm Dòng dầu Tảng nước Chất hữu cơ hòa tan Dòng nước ngầm Vùng chưa bảo hòa Xửû lýù sinh họïc dầàu tràøn ™ Dầàu tràøn khôngâ trộän lẫnã trong nướùc biểån vàø nỗiã trênâ mặët nướùc, tạïo điềàu kiệän cho cáùc hợïp chấát bay hơi đi vàøo khôngâ khí ™ Sựï phânâ táùn dầàu trênâ mặët biểån cho phéùp cáùc sinh vậät phânâ hủûy dầàu mộät cáùch tựï nhiên⠙ Sựï phânâ hủûy dầàu diễnã ra tạïi bềà mặët tiếáp xúùc giữã dầàu vàø nướùc. Do đóù, dầàu càøng phânâ táùn thì tốác độä phânâ hủûy càøng cao. ™ Đểå tăngê hiệäu quảû xửû lýù dầàu bằèng vi sinh vậät, ngườøi ta thương tạïo điệäu kiệän cho VSV phânâ hủûy pháùt triểån bằèng cáùch thêmâ dưỡngõ chấát cho chúùng (nitrogen vàø phosphorus) DẦU TRÀN Dầu tràn là một trong những thảm họa đối với mơi trường nước Che mất ánh sáng, ngăn cản hoạt động của động thực vật biển Phát tán nhanh và khơng cố định Tác động lâu dài, khĩ xử lý DẦU TRÀN Nguyên nhân gây nên tràn dầu HẬU QUẢ CỦA DẦU TRÀN Xử lý dầu tràn Thu gom Khoanh vùng Xử lý dầu tràn bằng các hệ thống tự nhiên Phun các chế phẩm sinh học phân hủy dầu Xửû lýù sinh họïc đấát bị ôâ nhiễm㠙 Đấát chứùa mộät lượïng lớùn vi sinh vậät cóù khảû năngê sửû dụïng hydrocarbon ™ Đấát bị nhiễmã hydrocarbon chứùa nhiềàu VSV hơn đấát khôngâ bị nhiễmã , nhưng thàønh phầàn loàøi VSV thì ít hơn. ™ Sốá phậän cáùc hợïp chấát hữũ cơ trong môiâ trườøng ảûnh hưởûng bởûi nhiềàu yếáu tốá. ™ Cáùc yếáu tốá nàøy ảûnh hưởûng lớùn đếán sựï pháùt triểån vàø đồàng hóùa cáùc hợïp chấát hữũ cơ củûa VSV Cáùc yếáu tốá ảûnh hưởûng đếán sựï pháùt triểån củûa Vi sinh vậät ™ Sựï hiệän diệän củûa cáùc hợïp chấát hữũ cơ phânâ hủûy sinh họïc đượïc ™ Sựï hiệän diệän củûa cáùc hợïp chấát vôâ cơ cóù chứùa nitrogen vàø phosphorus ™ Nồàng độä oxy, nhiệät độä, pH ™ Nướùc vàø độä ẩåm ™ Sốá lượïng vàø thàønh phầàn loàøi vi sinh vậät ™ Sựï hiệän diệän củûa kim loạïi nặëng Cáùc yếáu tốá ảûnh hưởûng đếán sựï phânâ hủûy cáùc hợïp chấát ™ Sựï pháùt triểån vàø đồàng hóùa củûa vi khuẩån ™ Cấáu trúùc hóùa họïc củûa cáùc hợïp chấát hữũ cơ ™ Sựï cóù sẵün hoặëc/vàø độä hòøa tan củûa vậät chấát ™ Quang hóùa Cáùc con đườøng phânâ hủûy hợïp chấát hydrocarbon ™ Cáùc hợïp chấát hóùa dầàu, PAH, BTEX đượïc phânâ hủûy bởûi vi sinh vậät đấát. ™ VSV dùøng cáùc chấát nàøy như làø nguồàn carbon vàø năngê lượïng cho hoạït độäng sốáng vàø tổång hợïp tếá bàøo ™ Thôngâ thườøng cáùc hydrocarbon bị oxi hóùa trong điềàu kiệän hiếáu khí hoặëc kỵ khí CHU TRÌNH CREBS C O N Đ Ư Ơ Ø N G P H A  N G I A Û I S I N H H O Ï C M O Ä T S O Á H Ơ Ï P C H A Á T V O Ø N G T H Ơ M Nguyênâ tắéc phảûn ứùng phânâ hủûy sinh họïc ™ Làøm cho cáùc hydrocarbon thàønh cáùc chấát phânâ cựïc ™ Nếáu làø hợïp chấát hydrocarbon mạïch vòøng thì thựïc hiệän phảûn ứùng mởû vòøng ™ Thay thếá cáùc nhóùm halogen bằèng nhóùm -OH ™ Cáùc phảûn ứùng phânâ hủûy đượïc xúùc táùc bởûi cáùc enzyme đặëc hiệäu ™ Sảûn phẩåm cuốái cùøng đi vàøo chu trình Crebs Đồng hóa trung tâm C O N Đ Ư Ơ Ø N G P H A  N G I A Û I S I N H H O Ï C M O Ä T S O Á H Ơ Ï P C H A Á T V O Ø N G T H Ơ M Các bước đầu tiên trong phân giải hydrocarbon mạch vòng bởi nấm, vi khuẩn và tảo (Cerniglia, 1993) Nấm Tảo Vi khuẩn Tảo Con đường phân giải sinh học toluene (Glazer và Nikaido, 1994) Cáùc chấát hữũ cơ tổång hợïp ™ Hàøng ngàøn hợïp chấát hữũ cơ tổång hợïp đượïc đưa vàøo môiâ trườøng ™ Điểån hình cho loạïi hợïp chấát nàøy làø thuốác trừø sâuâ , diệät cỏû vàø bảûo vệä thựïc vậät ™ Đượïc đưa vàøo môiâ trườøng mộät cáùch trựïc tiếáp ™ Mộät nhóùm kháùc cóù khảû năngê gâyâ ôâ nhiễmã nướùc ngầàm làø cáùc dung môiâ clo hóùa. ™ Mộät loạïi hóùa chấát đượïc tổång hợïp cóù độäc tính cao làø dioxin. ™ Cóù thờøi gian báùn phânâ hủûy cao Cấu trúc hóa học của một số chất diệt côn trùng thông dụng Độc chất Thời gian bán phân hủy Mơi trường DDT 10 năm Đất TCDD 9 năm Đất Atrazine 25 tháng Nước Benzoperylene (PAH) 14 tháng Đất Phenanthrene (PAH) 138 ngày Đất Carbofuran 45 ngày Nước Thời gian bán phân hủy của một số chất trong môi trường Sựï phânâ hủûy sinh họïc cáùc chấát trong môiâ trườøng Phânâ hủûy Hữũ sinh Phânâ hủûy vôâ sinh Hoạït độäng sốáng củûa vi sinh vậät Loạïi bỏû nguyênâ tửû clo Cắét cấáu trúùc mạïch vòøng Cắét vàø loạïi bỏû chuỗiã carbon Kếát quảû: - Khoáùng hóùa hoàøn toàøn hợïp chấát - Cung cấáp năngê lượïng cho hoạït độäng sốáng củûa vi sinh vậät Con đường phân hủy chất hữu cơ tổng hợp Ví dụ về chuyển hóa sinh học TNT Chuyển hóa sinh học TNT trong đất Ví dụ về chuyển hóa sinh học dioxin Côngâ nghệä xửû lýù sinh họïc ™ Đấát bị ôâ nhiễmã cóù thểå xửû lýù sinh họïc bằèng 2 cáùch: in-situ vàø ex-situ Đấát bị ôâ nhiễmã Tại chỗ Trồng trọt Làm phân Ủ đống sinh học In-situ Làm thoáng sinh học Phun hơi Hệ thống rễ Trồng trọt Làm phân Ủ đống sinh học Bể sinh học Ex-situ In-situ Ex-situ Ủ đống sinh học Xử lý khí Bơm hút Máy tách khí/nước Bể chứa dưỡng chất Ống phân phối khí Đất bị ô nhiễm Nước ngầm Rãnh cấp dưỡng chất X ư û l y ù l a ø m t h o a ù n g s i n h h o ï c