Bài 12: Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường đất, nước
Nội dung lý thuyết
I. CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
Công nghệ vi sinh vật là ngành khoa học công nghệ nghiên cứu sử dụng vi sinh vật trong các quy trình kĩ thuật để sản xuất ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người. Sản phẩm của công nghệ vi sinh vật là sinh khối vi sinh vật hoặc các sản phẩm trao đổi của vi sinh vật. Công nghệ vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường là một bộ phận của công nghệ vi sinh vật, trong đó quy trình kĩ thuật sử dụng tế bào vi sinh vật hoặc sản phẩm trao đổi từ vi sinh vật để phân giải, biến đổi các chất gây ô nhiễm môi trường. Dựa vào đặc điểm trao đổi chất của vi sinh vật, các quá trình xử lí ô nhiễm môi trường có thể được tiến hành trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí.
Để xử lí ô nhiễm môi trường bằng công nghệ vi sinh vật, cần thực hiện theo các bước:
Dựa trên các kết quả quan trắc thường xuyên các chỉ tiêu môi trường, việc đánh giá hiện trạng mỗi trường cần được tiến hành định kì. Kết quả đánh giá cho phép xác định nguồn chất gây ô nhiễm môi trường. Để xử lí chất gây ô nhiễm, đối tượng vi sinh vật hoặc sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật cần được lựa chọn dựa trên khả năng phân giải các chất của vi sinh vật. Quy trình kĩ thuật được thiết kế nhằm tạo các điều kiện thuận lợi nhất cho quá trình xử lí chất gây ô nhiễm nhờ vi sinh vật. Đánh giá lại hiện trạng môi trường sau xử lí cho biết hiệu quả xử lí ô nhiễm môi trưởng của vi sinh vật hay sản phẩm trao đổi của vi sinh vật cũng như sự phù hợp của quy trình kĩ thuật.
II. XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG BẰNG PHỤC HỒI SINH HỌC
Phục hồi sinh học (bioremediation) là quá trình sử dụng các sinh vật, đặc biệt là các vi sinh vật trong tự nhiên để phân giải các chất gây ô nhiễm môi trường đất, nước ngầm và không khi thành những chất ít độc hoặc không độc. Trong quá trình phục hồi sinh học, tốc độ phân giải các chất gây ô nhiễm của các vi sinh vật có thể được tăng cường bằng việc bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết (nguồn nitrogen, phosphorus) và các yếu tố tác động đến sinh trưởng của vi sinh vật (pH, độ thoáng khí, độ ẩm,... ). Quá trình này được gọi là kích thích sinh học.
Vi sinh vật có khả năng phân giải chất gây ô nhiễm có thể là vi sinh vật bản địa, có nguồn gốc tại nơi xảy ra ô nhiễm hoặc là vi sinh vật ngoại lai, có nguồn gốc từ nơi khác, được tuyển chọn tại các phòng thí nghiệm hoặc là các vi sinh vật đã được chuyển gene, có khả năng phân giải chất gây ô nhiễm.
Khi quần thể vi sinh bản địa không có khả năng phân giải các chất gây ô nhiễm, hoặc số lượng quá ít do độc tính của chất gây ô nhiễm, các vi sinh vật ngoại lai có khả năng phân giải sẽ được chọn lọc, bổ sung một cách thận trọng vào khu vực bị ô nhiễm. Quá trình này được gọi là tăng cường sinh học.
Phục hồi sinh học có thể tiến hành ngay tại vị trí xảy ra ô nhiễm đất hoặc nước và được gọi là phục hồi sinh học nguyên vị (in situ); khi đất hoặc nước bị ô nhiễm được mang đi nơi khác để xử lí thì gọi là phục hồi sinh học chuyển vị (ex situ). Phục hồi sinh học đã được áp dụng khá rộng rãi trong xử lí ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí. Tuy nhiên, cho đến nay không có một công thức chung nào cho tất cả các trường hợp cần xử lí.
III. XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT
Đất là môi trường sống tự nhiên của rất nhiều loài sinh vật. Nếu 200 năm trước vấn đề ô nhiễm chỉ có tính địa phương thì ngày nay ô nhiễm đất là vấn đề toàn cầu do quá trình công nghiệp hoá, đô thị hoá và phát triển ngày càng đa dạng các hoạt động của loài người. Đất ô nhiễm do bị khai thác quá mức, chế độ canh tác không hợp lí khiến chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, mất thảm thực vật che phủ. Các hoạt động sinh sống và sản xuất của con người đã tạo ra lượng chất thải khổng lồ gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí. Môi trường đất cũng bị ô nhiễm do các chất hoá học như các kim loại, dầu mỏ, chất độc hoá học, thuốc bảo vệ thực vật, các loại phân bón và do các vi sinh vật gây bệnh.
Xử lí đất ô nhiễm hydrocarbon dầu mỏ
Các hợp chất hydrocarbon là thành phần chủ yếu của dầu mỏ và còn được tìm thấy trong chất tẩy rửa, dung môi công nghiệp. Hydrocarbon xâm nhập vào đất hoặc nước do sự cố tràn dầu từ đường ống dẫn dầu, các bể chứa dầu, các vụ chìm tàu chở dầu, hay do xả thải nước nhiễm hydrocarbon,... Các hydrocarbon dễ dàng ngấm vào đất, ảnh hưởng đến khả năng thấm, độ xốp, pH, độ dẫn điện, độ mặn, thành phần và cấu trúc hợp chất hữu cơ trong đất do thừa nguồn carbon, ít nitrogen cũng như ảnh hưởng đến thành phần quần xã vi sinh vật trong đất và thực vật trên đất. Bên cạnh đó, một số hydrocarbon là mối đe doạ lớn đối với sức khoẻ con người khi xâm nhập vào cơ thể người và động vật qua đường hô hấp, tiếp xúc với da và chế độ ăn uống; gây suy giảm chức năng của gan và thận; là tác nhân gây ung thư, đột biến,...
Nhiều loài vi sinh vật như vi khuẩn, vi nấm và một số vi tảo có thể phân giải nguồn hydrocarbon khổng lồ từ dầu mỏ trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Tuy nhiên, thành phần của dầu mỏ lại thiếu các nguồn dinh dưỡng nitrogen và phosphorus nên quá trình phân giải các hợp chất hydrocarbon nhờ vi sinh vật bị hạn chế. Nhằm thúc đẩy quá trình phục hồi sinh học tại các khu vực đất bị ô nhiễm bởi hydrocarbon dầu mỏ, người ta đã bổ sung các chất vô cơ để kích thích sinh học các vi sinh vật bản địa nhu Achromobacter, Alkanindiges, Burkholderia, Mycobacterium, Pseudomonas, Staphylococcus, Streptobacillus,... trong đất. Hiệu quả phân giải hydrocarbon sau khi bổ sung các chất vô cơ tăng gấp 3 – 4 lần so với trước khi bổ sung.
Quá trình oxi hoá các sản phẩm dầu mỏ trong đất bị ô nhiễm nhờ các vi sinh vật trong tự nhiên diễn ra mạnh mẽ nếu nhiệt độ đủ ấm và nguồn dinh dưỡng vô cơ được cung cấp đủ thông qua việc bón phân có chứa nitrogen và phosphorus.
Quy trình xử lí đất ô nhiễm hydrocarbon:
Xử lí đất ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật
Có rất nhiều loại thuốc bảo vệ thực vật gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ nấm bệnh được phép lưu hành trên thị trường. Các thuốc bảo vệ thực vật có thể là các hợp chất chứa chlorine, nitrogen, phosphorus, vòng thơm. Một số thuốc bảo vệ thực vật được vi sinh vật sử dụng làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng trong quá trình phân giải, nhưng một số khác hầu như rất khó bị phân giải hoặc không bị phân giải bởi vi sinh vật, thậm chí còn tiêu diệt hệ sinh vật trong đất. Ví dụ: Thuốc diệt cỏ atrazine và các dẫn xuất chlorine độc hại của nó thường xâm nhập vào môi trường thông qua quá trình kết tủa, rửa trôi và được phát hiện tồn tại bền vững không chỉ trong đất mà còn trong nước mặt và nước ngầm. Các nghiên cứu cho thấy atrazine gây rối loạn nội tiết ở người, có thể khiến ếch đực trở thành ếch cái hoặc lưỡng tính và là yếu tố tiềm ẩn gây ung thư.
Ví dụ: Trên thực tế, khi tiến hành làm sạch đất ô nhiễm atrazine bằng biện pháp phục hồi sinh học, chủng vi khuẩn Pseudomonas sp. ADP, có khả năng sử dụng atrazine như nguồn nitrogen duy nhất, được lựa chọn bổ sung vào khu vực đất bị ô nhiễm (tăng cường sinh học). Bên cạnh đó, việc kích thích sinh học bằng bổ sung citrate vào đất cung cấp nguồn carbon cho vi khuẩn cũng được thực hiện (hình 12.4). Hiệu quả phân giải atrazine nhờ chủng vi khuẩn Pseudomonas sp. ADP đạt 79 – 87 %.
IV. XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ LÀM SẠCH NƯỚC
1. Xử lí nước ngầm ô nhiễm kim loại nặng
Kim loại nặng có tính chất phóng xạ là các chất độc gây ô nhiễm môi trường đất, nước; không thể bị phân giải mà chỉ có thể chuyển hoá hoá học nhờ vi sinh vật. Uranium (U) là kim loại nặng có tính chất phóng xạ và là vật liệu quan trọng trong công nghệ hạt nhân. Uranium thường được thải ra môi trường thông qua nước thải từ các lò phản ứng hạt nhân trong nhà máy điện hạt nhân và các mỏ khai thác khoáng sản.
Quặng uranium trong các khu vực chứa là nguy cơ gây ô nhiễm khi chất phóng xạ di chuyển qua nước ngầm ra ngoài gây nguy hiểm đến môi trường và sức khoẻ con người. Các phương pháp phục hồi hoá lí (như kết tủa, lọc,...) rất tốn kém do ô nhiễm thường lan rộng.
Trong thực tế, tại các khu vực đất bị ô nhiễm uranium, để khử U6+ (dạng hoà tan) thành U4+ (dạng UO2), có tính bất động nhằm hạn chế sự di chuyển của uranium vào trong nước ngầm, người ta sử dụng các vi khuẩn bản địa có khả năng khử kim loại (Fe3+ hoặc Mn6+) Shewanella putrefaciens, Geobacter sulfurreducens và vi khuẩn khử sulfate Desulfovibrio desulfuricans có trong trầm tích. Quá trình khử uranium của các vi sinh vật này được kích thích sinh học bằng việc bơm chất hữu cơ acetate, đóng vai trò là chất cho điện tử, vào khu vực bị ô nhiễm uranium. Quá trình xử lí này đã làm giảm hàm lượng uranium trong nước ngầm bị ô nhiễm xuống dưới ngưỡng giới hạn cho phép của tiêu chuẩn nước ăn uống.
2. Xử lí nước thải
Đặc điểm của nước thải
Nước thải là nước đã qua sử dụng, bị biến đổi tính chất vật lí, hoá học và sinh học. Nước thải có nguồn gốc từ sinh hoạt hoặc từ công nghiệp, nông nghiệp và cần được xử lí trước khi thải ra môi trường. Tuỳ thuộc vào nguồn phát sinh, nước thải có thể chứa các hợp chất hữu cơ, vô cơ và các vi sinh vật gây bệnh có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.
Các chất hữu cơ có trong nước thải có thể được chia thành ba nhóm: các hợp chất hữu cơ dễ bị phân giải có nhiều trong nước thải sinh hoạt hoặc nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm; các chất hữu cơ khó bị phân giải; một số hợp chất hữu cơ khó phân giải, có độc tính cao, có khả năng tích luỹ và tồn tại lâu dài trong môi trường. Hai nhóm hợp chất hữu cơ sau thường có nhiều trong nước thải công nghiệp, các vùng nông nghiệp, lâm nghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng,... Các chất vô cơ cũng có hàm lượng khá cao trong các loại nước thải. Những chất vô cơ này gồm các hợp chất chứa nitrogen; các hợp chất chứa phosphorus; các kim loại nặng thường có độc tính cao đối với người và động vật và tồn tại nhiều trong nước thải công nghiệp và một số chất vô cơ khác.
Quy trình xử lí nước thải: Các nhà máy xử lí nước thải đã áp dụng công nghệ phối hợp các quá trình vật lí, hoá học và sinh học để loại bỏ hoặc trung hoà các chất gây ô nhiễm. Xử lí nước thải gồm ba giai đoạn chính: xử lí nước thải bậc một, xử lí nước thải bậc hai và xử lí nước thải bậc ba.
Xử lí nước thải bậc một: Đây là quá trình chuẩn bị cho các bước xử lí tiếp theo. Rác thải rắn hữu cơ hay vô cơ được tách riêng bằng phương pháp sàng lọc, kết tủa các hạt có kích thước nhỏ và làm lắng trong bể chứa thành bùn. Bùn sẽ được giữ trong các bể lắng, phần nước thải theo đường ống và được tiếp tục xử lí ở các bước tiếp theo.
Xử lí nước thải bậc hai: Đây là giai đoạn xử lí sinh học làm giảm hàm lượng thành phần các chất hữu cơ hoà tan trong nước thải. Nhờ quá trình phân giải hiếu khí và phân giải kị khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hoá thành sinh khối vi sinh vật và khí CO2. Tuỳ thuộc vào loại nước thải, nước thải sẽ được xử lí hiếu khí hay kị khí hoặc phối hợp cả hai.
Xử lí nước thải kị khí: Quá trình xử lí nước thải bao gồm một loạt các bước phân giải nhờ vi sinh vật trong điều kiện không có oxygen phân tử.
Quá trình xử lí được tiến hành trong các bồn chứa lớn, kín và được sử dụng để xử lí nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ không tan như chất xơ, cellulose, protein với chỉ số BOD (nhu cầu oxygen sinh học) cao.
Các chất rắn lơ lửng và các đại phân tử này được cắt thành các hợp chất hoà tan, phân giải qua nhiều bước thành sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2, H2, NH3 và H2S.
Xử lí nước thải hiếu khi: Nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp được xử lí nhờ các vi sinh vật phân giải hiếu khí như Pseudomonas, Bacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter, Zooglea,...
Công nghệ xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính (activated sludge) xuất hiện từ sớm, nhưng hiện nay vẫn được nghiên cứu cải tiến để áp dụng. Trong bồn chứa, nước thải được khuấy đảo để khuếch tán oxygen không khí vào nước hoặc bổ sung oxygen trực tiếp bằng sục khí (hình 12.7). Các vi sinh vật sinh trưởng nhờ các chất hữu cơ trong nước, tạo sinh khối và kết bông (khối bùn có độ xốp) để dễ dàng tách ra khỏi nước thải. Thời gian xử lí nước thải bằng bùn hoạt tính kéo dài khoảng 5 – 10 giờ, sau đó nước được bơm sang bể lắng. Một phần bùn hoạt tính được tuần hoàn trở lại bể hiếu khí để tiếp tục tham gia
Một công nghệ khác được sử dụng để xử lí nước thải là lọc nhỏ giọt (trickling filter) (hình 12.8). Trong bồn chứa, nước thải được chảy qua lớp vật liệu lọc bằng đá (như đá cuội, đá dăm, đá ong) hoặc các vật liệu rắn khác (như vòng gốm, than đá, than cốc, gỗ mảnh, chất dẻo) dày khoảng 2 m, trên đó các vi sinh vật như vi khuẩn Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Bacillus,... đã phát triển thành các mảng bám sinh học hay màng sinh học (biofilm). Các chất hữu cơ hoà tan trong nước thải được phân giải bởi quần xã các vi sinh vật đó và chuyển hoá thành CO2, NH3, NO3-, SO42-.
Hệ thống hiếu khi mở rộng cũng được sử dụng để xử lí nước thải. Sau giai đoạn xử lí bậc hai, chlorine hoặc ozone hoặc tia UV được sử dụng để tiêu diệt các vi sinh vật trong nước thải trước khi xả ra các thuỷ vực.
Xử lí nước thải bậc ba: Đây là giai đoạn làm sạch nước thải như giảm chỉ số BOD, loại bỏ hàm lượng nitrogen, phosphorus tồn tại ở dạng hợp chất vô cơ, những chất có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng trong các thuỷ vực, cũng như loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ và các vi sinh vật trong nước thải. Việc áp dụng xử lí nước thải bậc một, bậc hai hay bậc ba phụ thuộc vào chất lượng nước thải đầu vào và quy chuẩn nước thải đầu ra. Hiện nay, công nghệ xử lí nước thải có nhiều cải tiến và được áp dụng ở nhiều quốc gia khác nhau.