MỞ ĐẦU Nƣớc là một phần thiết yếu trong quá trình sinh hoạt–sản xuất của con ngƣời. Tuy nhiên, với sự phát triển của dân số, quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, lƣợng nƣớc do con ngƣời sử dụng đang ngày càng gia tăng, đi kèm với nó là hậu quả gây ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng. Ảnh hƣởng của ô nhiễm nƣớc đối với sức khỏe con ngƣời có thể thông qua hai con đƣờng: (i) ăn-uống phải nƣớc bị ô nhiễm hay các loại rau quả và thủy sản đƣợc nuôi trong môi trƣờng nƣớc ô nhiễm, (ii) do tiếp xúc với môi trƣờng nƣớc trong quá trình lao động và sinh hoạt. Ngoài ra ô nhiễm nƣớc còn kéo theo các thiệt hại về kinh tế do bệnh tật, thiệt hại về thủy sản và nông nghiệp, và ảnh hƣởng tới nguồn cung cấp nƣớc sạch [2, 4, 5].
Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nƣớc hiện nay là tình trạng nƣớc thải chƣa qua xử lý hoặc xử lý kém đƣợc trực tiếp xả vào môi trƣờng. Để ngăn chặn nguy cơ này thì cần phải có các phƣơng pháp hợp lý để đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý, nhằm đáp ứng nhu cầu của ngƣời sản xuất cũng nhƣ ngƣời quản lý [2]. Phƣơng pháp phân tích hóa-lý là phổ biến hiện nay đƣợc sử dụng cho việc phân tích-đánh giá chất lƣợng nƣớc thải. Phƣơng pháp này sử dụng mối tƣơng tác giữa chất cần phát hiện trong nƣớc với một loại hóa chất đƣợc thêm vào dùng làm chỉ thị để định tính cũng nhƣ định lƣợng chất cần kiểm tra, hoặc áp dụng các kỹ thuật nhƣ: sắc ký lỏng cao áp (HPCL), sắc ký phối khổ (GC – MS), hay phƣơng pháp so màu.
Tuy nhiên, tất cả các kỹ thuật này đòi hỏi ngƣời phân tích phải có tay nghề chuyên môn cao, tốn kém trong sử dụng, và thời gian phân tích dài. Những nghiên cứu gần đây đã tập trung phát triển phƣơng pháp sử dụng tác nhân sinh học nhƣ một cảm biến hay một hệ thống cảnh báo sớm chất lƣợng nƣớc. Cảm biến sinh học (biosensor) là hệ thống phân tích các tác nhân sinh học nhƣ DNA, enzymes, mô, cơ thể sống kết hợp với việc đánh giá – đo lƣờng các dấu hiệu hóa – lý các tác nhân sinh học đó. Các cảm biến sinh học tỏ ra thuận lợi trong việc 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đánh giá chất lƣợng nƣớc nhƣ kiểm tra trực tiếp nguồn nƣớc, nhạy cảm với chất độc và phát hiện nhiều độc tố cùng một thời điểm, cảnh báo chất độc, không chỉ theo dõi độc tính mà còn theo dõi tốc độ thay đổi thành phần-nồng độ chất độc, có thể theo dõi từ xa, dễ dàng sử dụng.
Trong đó, cảm biến sinh học khai thác quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đang đƣợc đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng [32]. Pin nhiên liệu vi sinh vật là một dạng thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên hoạt tính điện hóa của vi sinh vật. Loại thiết bị này đƣợc nghiên cứu tại nhiều quốc gia nhƣ Hàn Quốc, Hoa Kỳ, hay Châu Âu, chúng có ƣu điểm nhƣ có khả năng chỉ dẫn BOD nƣớc thải, có thời gian phản ứng nhanh, dễ dàng sử dụng, chi phí thấp [17, 25, 26, 29]. Tại Việt Nam hiện nay những nghiên cứu về pin nhiên liệu vi sinh vật cũng nhƣ ứng dụng chúng làm cảm biến sinh học trong đánh giá chất lƣợng nƣớc thải còn khá hạn chế [52].
Nhằm góp phần vào các nghiên cứu về pin nhiêu liệu vi sinh cũng nhƣ phát triển một thiết bị cảm biến có khả năng đánh giá chất lƣợng nƣớc thải với thời gian phân tích nhanh và khả năng sử dụng nhiều lần… chúng tôi tiến hành đề tài “ Nghiên cứu phát triển thiết bị pin nhiên liệu vi sinh vật (Microbial fuel cell) sử dụng làm cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải”. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 – TỔNG QUAN 1.1 Ô NHIỄM NƢỚC TẠI VIỆT NAM Ô nhiễm nƣớc xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay có bốn nguồn gây ô nhiễm nƣớc chính: nƣớc thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và y tế. Theo Báo cáo môi trƣờng quốc gia 2012 của Việt Nam, nƣớc thải sinh hoạt chiếm 30% tổng lƣợng nƣớc thải trực tiếp ra các sông hồ; kênh rạch. Trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc, nhiều ngành công nghiệp đƣợc mở rộng quy mô sản xuất, cũng nhƣ phạm vi phân bố.
Tuy nhiên mức đầu tƣ cho hệ thống xử lý nƣớc thải lại chƣa đáp ứng đƣợc nhƣ cầu này, Số lƣợng nƣớc thải công nghiệp đƣợc xử lý là đang ở mức trung bình (50 – 60%), nhƣng hơn 50% hệ thống xử lý đó vẫn chƣa hoạt động hiệu quả. Cũng theo báo cáo của Sở Tài Nguyên Môi Trƣờng Hà Nội năm 2009, có tới 93% tổng lƣợng nƣớc thải chƣa đƣợc xử lý xả thẳng vào hệ thống, lƣợng nƣớc còn lại chỉ đƣợc xử lý sơ bộ trong các bể tự hoại, bể lắng trong tuyến thoát nƣớc. Bên cạnh đó, nƣớc thải nông nghiệp cũng là vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Nƣớc thải nông nghiệp thƣờng chứa các chất hóa chất bảo vệ thực vật, hay thuốc trừ sâu gây hại cho sức khỏe con ngƣời và hệ sinh thái nƣớc mặt [2, 4].
Bảng 1: Đặc trƣng thành phần nƣớc thải của một số ngành công nghiệp [2] Ngành công nghiệp Chất ô nhiễm chính Chất ô nhiễn phụ Chế biến đồ hộp, thủy sản, rau quả, BOD, COD, pH, SS Màu, tổng P, N đông lạnh Chế biến nƣớc uống có cồn, bia, BOD, pH, SS, N, P TDS, màu, độ đục rƣợu Chế biến thịt BOD, pH, SS, độ đục NH4+, P , màu Sản xuất bột ngọt BOD, SS, pH, NH4+ Độ đục, NO3-, PO43- Cơ khí COD, dầu mỡ, SS, CN-, SS, Zn, Pb, Cd Cr, Ni 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Bảng 2: Tổng lƣợng nƣớc thải và lƣợng thải các chất ô nhiễm trong nƣớc thải từ một số khu công nghiệp đồng bằng sông hồng [4] Lƣợng Tổng lƣợng các chất ô nhiễm (Kg/ ngày) Khu Vực nƣớc thải TSS BOD5 COD Tổng N Tổng P (m3/ ngày) Bắc Ninh 38946 8568 5336 12424 2259 3116 Hà Nội 36577 8047 5011 11668 2122 2926 Hải Phòng 14026 3086 1922 4474 814 1122 Quảng Ninh 8050 1771 1103 2568 467 644 Hải Dƣơng 23806 5237 3261 7594 1381 1904 Hƣng Yên 12350 2717 1692 3940 716 988 Ô nhiễm nƣớc đƣợc xem là một mối đe dọa cho sức khỏe cộng đồng, gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và phá hoại hệ sinh thái. Theo đánh giá của ngân hàng thế giới, Việt Nam có thể chịu tổn thất do ô nhiễm môi trƣờng lên tới 5, 5 % GDP và 780 triệu USD trong lĩnh vực sức khỏe cộng đồng vì ô nhiễm môi trƣờng. Ô nhiễm sông Thị Vải là một ví dụ điển hình: một đoạn sông dài khoảng 12 km (từ hợp lƣu suối Cả-sông Thị Vải tới khu vực cảng Khú Mỹ, phía sau khu công nghiệp Mỹ Xuân) hầu nhƣ không một loài tôm, cá, thủy sản nào có thể tồn tại và phát triển. Tại khu vực này chỉ còn chứa các động-thực vật phù du.
Ƣớc tính ban đầu diện tích nông nghiệp bị thiệt hại là 1.438,5 ha, trong đó phần lớn là ao nuôi thủy sản và 29,5 ha là đất nông nghiệp. Một ví dụ khác, một nghiên cứu về ảnh hƣởng của hoạt động sản xuất tại khu chế biến kim loại màu thuộc tỉnh Thái Nguyên chỉ ra rằng, hàm lƣợng chì và arsen trong nƣớc thải sinh hoạt tại vùng này cao hơn 1,5 – 6 lần so với vùng đối chứng. Qua xét nghiệm máu của phụ nữ trong độ tuổi sinh sản sống liên tục ở vùng nghiên cứu 5 năm cho thấy hàm lƣợng chì và arsen trong máu của họ cao hơn trong máu của ngƣời ở vùng đối chứng 3 – 80 lần [2, 4]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Từ các dẫn liệu trên có thể thấy việc xả nƣớc thải xử lý kém là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm nƣớc nghiêm trọng.
Vì vậy, một nhu cầu thực tế hiển nhiên đƣợc đặt ra là cần có các phƣơng pháp hiệu quả để đánh giá nhanh chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý.2 PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC THẢI SAU XỬ LÝ Đánh giá chất lƣợng nƣớc cũng nhƣ mức độ ô nhiễm của nƣớc cần đựa vào một số thống số cơ bản về thành phần hóa học và sinh học đối với từng loại nƣớc sử dụng với các mục đích khác nhau và so sánh chúng với chỉ tiêu cho phép. Các thông số cơ bản bao gồm: độ pH, màu sắc, độ đục, hàm lƣợng chất rắn, các chất lơ lửng (huyền phù), các kim loại nặng, chỉ số COD (nhu cầu oxy hóa học-chemical oxygen demand) và BOD (nhu cầu oxy sinh hóa-Biochemical oxygen demand)… Bảng 3: Một số thông số ô nhiễm nƣớc thải trong công nghiệp theo tiêu chuẩn Việt Nam QCVN40: 2011/BTNMT [3] 1 Thông số Đơn vị Giá trị C A B o 1 Nhiệt độ C 40 40 2 Màu Pt/Co 50 150 3 pH - 6-9 5,5-9 4 BOD5 (20oC) mg/lít 30 50 5 COD mg/lít 75 150 6 Chất rắn lơ lửng mg/lít 50 100 7 Asen mg/lít 0,05 0,1 8 Thủy ngân mg/lít 0,005 0,01 9 Chì mg/lít 0,1 0,5 10 Cadimi mg/lít 0,05 0,1 11 Crom (VI) mg/lít 0,05 0,1 12 Crom (III) mg/lít 0,2 1 Hàm lƣợng chất rắn có trong nƣớc bao gồm: các chất vô cơ ở dạng muối hòa tan hoặc không hòa tan đƣợc nhƣ đất đá, các chất hữu cơ nhƣ xác của vi sinh vật, 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tảo, nấm, động vật nguyên sinh…Tổng chất rắn (TS) đƣợc xác định bằng trọng lƣợng khô thành phần còn lại sau khi cho bay hơi 1 lít mẫu nƣớc rồi sấy khô ở 103oC, hay chất rắn huyền phù (SS) là trọng lƣợng khô của chất rắn sau khi cho 1 lít mẫu nƣớc đi qua giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy ở 103 – 105oC tới khối lƣợng không đổi [1, 3, 54]. Các kim loại nặng trong nƣớc hay các chất độc hữu cơ (nhƣ phenol, DDT, thuốc diệt cỏ…) có thể đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp so màu với thuốc thử, sắc ký, hoặc chuẩn độ theo thể tích với một chất hóa học. Ví dụ, để xác định hàm lƣợng phenol có thể sử dụng một trong hai phƣơng pháp sau: (1) Phƣơng pháp xác định phenol bằng phƣơng pháp đo màu theo nguyên tắc là tách phenol ra khỏi nƣớc và cho tác dụng với 2-6 dicloroquinon diclorimmid để tạo phức màu xanh của indophenol, và qua cƣờng độ màu thu đƣợc ta biết đƣợc hàm lƣợng phenol (đo bƣớc sóng 610 nm).