Nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên

Luận án tiến sĩ phân tích hus nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vi sinh vật
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên khi sử dụng các loại cơ chất khác nhau
• Loại tài liệu: Luận văn
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời cam đoan
• Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ, đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Phân loại nước thải
• 1.2. Nước thải sinh hoạt
• 1.3. Nước thải công nghiệp
• 1.4. Kim loại nặng trong môi trường nước
• 1.4.1. Kim loại nặng và sự chuyển hoá trong môi trường nước
• 1.4.2. Tính độc của kim loại nặng
• 1.4.3. Nước thải chứa kim loại nặng trong quá trình sản xuất công nghiệp ở Việt Nam và tác động của chúng đến môi trường
• 1.5. Công nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nặng
• 1.5.1. Sử dụng các biện pháp sinh học trong xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước
• 1.5.1.1. Sử dụng thực vật
• 1.5.1.2. Sử dụng các vật liệu hấp phụ sinh học
• 1.5.1.3. Sử dụng vi sinh vật
• 1.5.2. Các dạng cột phản ứng kị khí
• 1.5.2.1. Cột phản ứng sinh học kị khí với cơ chất rắn
• 1.5.3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng biện pháp kị khí để xử lý nước thải chứa kim loại nặng
• 1.5.3.1. Trên thế giới
• 1.5.3.2. Ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu và thiết bị nghiên cứu
• 2.2. Các phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Chuẩn bị dụng cụ phân tích
• 2.2.2. Loại bỏ oxy và chỉ thị môi trường khử
• 2.2.3. Các thí nghiệm sử dụng cột phản ứng sinh học kị khí tạo sunphua để nghiên cứu khả năng loại bỏ kim loại nặng
• 2.2.3.1. Đếm số lượng SRB
• 2.2.3.2. Phân lập SRB
• 2.2.4. Phân loại vi khuẩn
• 2.2.4.1. Đặc điểm hình thái
• 2.2.4.2. Các phương pháp sinh học phân tử
• 2.2.5. Phương pháp phân tích kim loại nặng
• 2.2.5.1. Xác định hàm lượng đồng
• 2.2.5.2. Xác định hàm lượng asen
• 2.2.6. Phương pháp xác định COD
• 2.2.7. Các chỉ tiêu khác
• 2.2.8. Phương pháp xác định thành phần của các cơ chất: các chất hòa tan trong nước nóng, xenlulo, hemixenlulo, lignin, tro
• 2.2.8.1. Các chất hòa tan trong nước nóng
• 2.2.9. Xác định khả năng hấp phụ kim loại bởi cơ chất
• 2.2.10. Xác định khả năng loại bỏ kim loại của các chủng vi khuẩn lựa chọn
• 2.2.11. Phương pháp quan sát đặc điểm cơ chất bằng kính hiển vi điện tử quét
• 2.2.12. Phương pháp xác định sunphua
• 2.2.13. Phương pháp xác định axít béo
• 2.2.14. Phương pháp xử lý thống kê
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Xây dựng cột phản ứng sinh học kị khí tạo sunphua với các loại cơ chất khác nhau
• 3.1.1. Thiết lập cột phản ứng sinh học
• 3.1.2. Hoạt động của cột phản ứng sinh học
• 3.1.3. Cơ chất và khả năng hấp phụ kim loại nặng
• 3.1.4. Thành phần của các loại cơ chất
• 3.1.5. Khả năng hấp phụ kim loại nặng của các loại cơ chất khác nhau
• 3.1.6. Ảnh hưởng của việc bổ sung vi sinh vật và chất dinh dưỡng lên hoạt động của cột phản ứng sinh học
• 3.2. SRB trong các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau
• 3.2.1. Số lượng SRB
• 3.2.2. Thành phần SRB
• 3.2.3. Khả năng loại bỏ Cu, As của các chủng vi khuẩn phân lập được
• 3.2.4. Một số đặc điểm sinh học của hai chủng vi khuẩn STN8 và XD5
• 3.2.4.1. Kết quả định loại hai chủng vi khuẩn STN8 và XD5 bằng kỹ thuật sinh học phân tử
• 3.2.4.2. Kết quả đọc trình tự nucleotit của rADN 16S của hai chủng STN8 và XD5
• 3.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của các cột phản ứng sinh học kị khí với các loại cơ chất khác nhau
• 3.3.1. pH và thế năng oxy hóa khử
• 3.3.2. Hàm lượng sunphua hòa tan trong nước
• 3.3.3. Hiệu quả hoạt động của các cột phản ứng với các loại cơ chất khác nhau
• 3.3.3.1. Hiệu quả loại bỏ sunphat
• 3.3.3.2. Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng
• 3.3.4. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy lên khả năng loại bỏ kim loại nặng của cột phản ứng sinh học kị khí
• 3.3.5. Xử lý nước thải tuyển quặng bằng cột phản ứng sinh học kị khí với cơ chất rắn
• 3.3.6. Xử lý cơ chất sau khi sử dụng
• Kết luận và kiến nghị
• Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng

Nước thải công nghiệp, đặc biệt là nước thải từ khai thác mỏ, chứa nhiều kim loại nặng gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả là cần thiết để bảo vệ sức khỏe con người và môi trường. Phương pháp sử dụng vi sinh vật tự nhiên để loại bỏ kim loại nặng đang được chú ý vì tính hiệu quả và thân thiện với môi trường.

1.1. Tình hình ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải là một vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Các kim loại như Hg, Pb, Cd, và As có thể gây ra nhiều bệnh tật và tác động tiêu cực đến môi trường. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nồng độ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp ở Việt Nam vượt quá mức cho phép, cần có biện pháp xử lý hiệu quả.

1.2. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Vi sinh vật tự nhiên, đặc biệt là vi khuẩn khử sunphat (SRB), có khả năng phân hủy và loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải. Chúng có thể chuyển hóa các hợp chất độc hại thành các dạng ít độc hơn, giúp cải thiện chất lượng nước. Nghiên cứu cho thấy SRB có thể loại bỏ nhiều kim loại nặng như Cu, As, và Zn hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước thải chứa kim loại nặng

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý nước thải, nhưng việc loại bỏ kim loại nặng vẫn gặp nhiều thách thức. Các phương pháp truyền thống như kết tủa thường tốn kém và tạo ra bùn thải cần xử lý tiếp. Hơn nữa, các phương pháp này không hiệu quả với nồng độ kim loại thấp. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp mới và hiệu quả hơn.

2.1. Hạn chế của các phương pháp xử lý truyền thống

Các phương pháp như kết tủa và trao đổi ion thường không hiệu quả trong việc xử lý nước thải có nồng độ kim loại thấp. Chúng cũng tạo ra một lượng lớn bùn thải, gây khó khăn trong việc xử lý tiếp theo. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các phương pháp mới, hiệu quả hơn.

2.2. Tác động của ô nhiễm kim loại nặng đến môi trường

Ô nhiễm kim loại nặng không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Các kim loại nặng có thể tích lũy trong chuỗi thức ăn, gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho động vật và thực vật. Việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng là cần thiết để bảo vệ môi trường sống.

III. Phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật tự nhiên

Phương pháp sử dụng vi sinh vật tự nhiên để xử lý nước thải chứa kim loại nặng đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng SRB trong các cột phản ứng sinh học kị khí có thể mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng.

3.1. Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Vi sinh vật tự nhiên hoạt động bằng cách phân hủy các hợp chất độc hại trong nước thải, chuyển hóa chúng thành các dạng ít độc hơn. SRB có khả năng khử sunphat và loại bỏ kim loại nặng thông qua quá trình sinh học, giúp cải thiện chất lượng nước thải.

3.2. Các loại cơ chất sử dụng trong nghiên cứu

Nghiên cứu đã sử dụng nhiều loại cơ chất khác nhau như rơm, rạ, và xơ dừa để nuôi cấy vi sinh vật. Các cơ chất này không chỉ cung cấp nguồn dinh dưỡng cho vi sinh vật mà còn giúp tăng cường khả năng loại bỏ kim loại nặng trong nước thải.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp sử dụng vi sinh vật tự nhiên có hiệu quả cao trong việc loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng việc sử dụng SRB trong cột phản ứng sinh học kị khí có thể giảm nồng độ kim loại nặng xuống mức cho phép.

4.1. Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng trong thí nghiệm

Các thí nghiệm cho thấy rằng SRB có khả năng loại bỏ hiệu quả nhiều loại kim loại nặng như Cu và As. Kết quả cho thấy nồng độ kim loại nặng trong nước thải giảm đáng kể sau khi xử lý, đạt tiêu chuẩn cho phép.

4.2. Ứng dụng thực tiễn tại các cơ sở sản xuất

Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng tại Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất mỏ và luyện kim Thái Nguyên. Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn TCVN cho nước thải công nghiệp loại B, chứng minh tính khả thi của phương pháp.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về phương pháp loại bỏ kim loại nặng bằng vi sinh vật tự nhiên mở ra nhiều triển vọng cho việc xử lý nước thải công nghiệp. Việc áp dụng các phương pháp sinh học không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

5.1. Tương lai của phương pháp xử lý sinh học

Phương pháp xử lý sinh học bằng vi sinh vật tự nhiên có tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải công nghiệp. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình và mở rộng quy mô ứng dụng.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các phương pháp xử lý hiệu quả hơn, đồng thời tìm kiếm các loại vi sinh vật mới có khả năng loại bỏ kim loại nặng tốt hơn. Việc kết hợp các phương pháp sinh học với các công nghệ hiện đại có thể mang lại kết quả tốt hơn trong xử lý nước thải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng và axit từ hoạt động khai khoáng, luyện kim, mạ điện đang là thách thức môi trường hàng đầu tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Ước tính tại Mỹ, chi phí khắc phục ô nhiễm nước thải mỏ axit lên tới gần 1 triệu USD mỗi ngày. Tại Việt Nam, nhiều nguồn thải chứa hàm lượng độc chất cao xả trực tiếp ra môi trường mà chưa qua xử lý triệt để. Điển hình tại làng nghề tái chế chì Chỉ Đạo (Hưng Yên), tỷ lệ người dân mắc bệnh suy nhược thần kinh lên tới 78,1% và bệnh đường hô hấp chiếm 65,6%. Ô nhiễm asen trong nước ngầm tại khu vực đồng bằng sông Hồng dao động phổ biến từ 159 µg/L đến 3050 µg/L, vượt gấp nhiều lần ngưỡng quy chuẩn cho phép 50 µg/L.

Các biện pháp hóa lý truyền thống như kết tủa hóa học đòi hỏi chi phí hóa chất lớn và phát sinh khối lượng bùn thải nguy hại khổng lồ, trong khi các kỹ thuật trao đổi ion hay thẩm thấu ngược có giá thành vận hành quá cao đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Trước thực trạng đó, luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp sinh học kị khí dòng chảy ngược sử dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp giá rẻ gồm giá thể sau trồng nấm, xơ dừa và than bùn kết hợp quần thể vi khuẩn khử sunphat tự nhiên để xử lý đồng và asen trong nước thải.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trung tâm Sinh học Thực nghiệm (Viện Ứng dụng Công nghệ), Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội và Trung tâm Nghiên cứu Môi trường nước thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc. Đề tài tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên nguồn nước thải tuyển quặng thực tế tại Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất mỏ và luyện kim Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp công nghệ xanh, bền vững, giúp xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải loại B theo TCVN 5945-1995 với chi phí vật liệu giảm hơn 70% so với phương pháp hóa chất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba cơ sở lý thuyết sinh hóa và môi trường chính:

Thứ nhất, lý thuyết phân hủy sinh học kị khí và khử sunphat dị hóa. Quần thể vi khuẩn khử sunphat (Sulfate Reducing Bacteria - SRB) sử dụng ion sunphat làm chất nhận điện tử cuối cùng để oxy hóa các chất hữu cơ đơn giản như lactat, axetat, propionat hoặc khí hydro. Quá trình khử 1 mol sunphat tiêu thụ từ 1 đến 2 mol ion hydro, đồng thời sản sinh 2 đương lượng kiềm bicacbonat, tạo hệ đệm tự nhiên giúp trung hòa nồng độ axit của dòng thải.

Thứ hai, lý thuyết kết tủa sunphua kim loại sinh học. Khí hydro sunphua sinh ra từ quá trình trao đổi chất của vi khuẩn phản ứng tức thì với các ion kim loại hóa trị hai tạo thành kết tủa sunphua kim loại có tích số tan cực thấp, độ bền hóa học cao và ổn định hơn nhiều so với dạng hydroxit kim loại tạo ra từ phương pháp kiềm hóa.

Thứ ba, lý thuyết hấp phụ sinh học trên nền chất mang hữu cơ. Các cơ chất nông nghiệp giàu xenlulozo, hemixenlulozo và lignin đóng vai trò kép: vừa là giá thể cố định màng sinh học và cung cấp nguồn cacbon giải phóng chậm cho vi sinh vật, vừa trực tiếp giữ lại các ion kim loại qua cơ chế trao đổi ion, tạo phức bề mặt.

Mô hình nghiên cứu vận hành dựa trên 5 khái niệm cốt lõi: vi khuẩn khử sunphat (SRB), hấp phụ sinh học (Biosorption), cột lọc kị khí dòng chảy ngược (AF), thế năng oxy hóa khử (Eh), và thời gian lưu nước thủy lực (HRT).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm toàn diện, bao gồm nước thải nhân tạo pha chế có kiểm soát nồng độ Cu từ 10 đến 50 mg/L, As từ 1 đến 10 mg/L và mẫu nước thải công nghiệp thực tế thu thập tại cơ sở tuyển quặng mỏ Thái Nguyên.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hệ thống 6 cột phản ứng sinh học kị khí bằng thủy tinh hình trụ (dung tích 1,5 lít mỗi cột), vận hành song song với các loại cơ chất khác nhau gồm giá thể sau trồng nấm, xơ dừa, than bùn cùng các cột đối chứng không bổ sung bùn hoạt tính. Phương pháp chọn mẫu cơ chất được thực hiện theo quy trình lấy mẫu ngẫu nhiên đồng nhất từ các vùng sản xuất nông nghiệp tại Hà Nội và vùng phụ cận. Toàn bộ tiến trình theo dõi động học phản ứng diễn ra liên tục trong 120 ngày chia làm 4 chu kỳ tải nạp.

Các phương pháp phân tích chuyên sâu được lựa chọn dựa trên độ nhạy và tính chuẩn xác cao:

• Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) được ưu tiên sử dụng để định lượng vết kim loại Cu, As, Fe nhờ giới hạn phát hiện dưới 0,001 mg/L.
• Kỹ thuật sinh học phân tử bao gồm tách chiết DNA tổng số, phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR) khuếch đại đoạn gen rADN 16S với độ dài xấp xỉ 1500 cặp bazơ và giải trình tự gen nhằm định danh chính xác các chủng vi khuẩn phân lập mà không bị sai lệch bởi đặc tính hình thái thuần túy.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát cấu trúc bề mặt vật liệu và màng sinh khối trước và sau xử lý.
• Các chỉ tiêu COD, sunphat, sunphua hòa tan, pH và Eh được phân tích theo Tiêu chuẩn chuẩn hóa Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã mang lại 4 kết quả thực nghiệm nổi bật:

Thứ nhất, hiệu quả hấp phụ kim loại vượt trội của cơ chất hữu cơ tự nhiên. Trong các loại vật liệu thử nghiệm, giá thể sau trồng nấm và xơ dừa thể hiện dung lượng hấp phụ tĩnh ấn tượng đối với Cu đạt lần lượt 18,4 mg/g và 15,2 mg/g cơ chất khô. Khả năng hấp phụ ban đầu giúp giảm ngay lập tức 60-70% nồng độ kim loại đầu vào trước khi quần thể vi sinh vật đạt trạng thái cân bằng sinh khối.

Thứ hai, hiệu suất loại bỏ kim loại nặng đạt mức gần như tuyệt đối khi hệ vi sinh vật ổn định. Sau 4 tuần vận hành, cột phản ứng kị khí sử dụng giá thể sau trồng nấm đã khử nồng độ Cu từ mức 50 mg/L xuống dưới 0,1 mg/L, đạt hiệu suất loại bỏ trên 99,8%. Đối với asen, nồng độ giảm từ 5,0 mg/L xuống dưới 0,05 mg/L, đạt hiệu suất trên 98,5%. Asen trong nước thải không gây ức chế đến hoạt tính trao đổi chất của hệ vi khuẩn khử sunphat trong cột.

Thứ ba, phân lập và định danh thành công hai chủng vi khuẩn khử sunphat bản địa có hoạt tính cao. Chủng STN8 phân lập từ cột giá thể sau trồng nấm và chủng XD5 phân lập từ cột xơ dừa được giải trình tự gen rADN 16S với chiều dài gần 1500 nucleotide, xác định thuộc các nhóm vi khuẩn có khả năng chống chịu nồng độ Cu lên tới 50 mg/L và As 10 mg/L.

Thứ tư, khả năng làm sạch nước thải mỏ thực tế tại Thái Nguyên. Khi đưa nước thải tuyển quặng có tính axit cao (pH từ 3,2 đến 3,8) và nồng độ ion Fe 45 mg/L, Cu 12 mg/L qua hệ thống cột phản ứng sinh học cơ chất STN với thời gian lưu nước thích hợp, pH dòng ra được trung hòa lên mức 7,1 - 7,4, toàn bộ kim loại nặng được giữ lại trên 95%, nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn TCVN 5945-1995 Loại B.

Thảo luận kết quả

Khả năng loại bỏ kim loại nặng vượt bậc của hệ thống bắt nguồn từ sự kết hợp tương hỗ giữa quá trình hấp phụ vật lý - hóa học trên bề mặt sợi thực vật và quá trình sinh kết tủa sunphua sinh học. Khi dòng nước thải thẩm thấu ngược qua cột, quần thể vi khuẩn SRB chuyển hóa sunphat thành hydro sunphua với tốc độ tạo sunphua hòa tan đạt từ 15 đến 35 mg/L. Nồng độ này đủ để kết tủa tức thì các ion Cu thành CuS dạng khoáng vật covellite không tan.

Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn rõ nét qua biểu đồ tương quan giữa tốc độ tiêu thụ COD và tốc độ khử sunphat. Đồ thị cho thấy một đường tuyến tính thuận: khi tốc độ loại bỏ COD đạt từ 120 đến 180 mg/L/ngày, tốc độ khử sunphat tăng tương ứng, tạo ra thế năng oxy hóa khử Eh hạ sâu xuống dưới -150 mV, đây là điều kiện lý tưởng cho vi khuẩn kị khí phát triển. Đồng thời, bảng số liệu theo dõi pH chỉ ra rằng lượng bicacbonat sinh ra đã trung hòa từ 2 đến 3 đương lượng axit trên mỗi mol sunphat bị phân hủy, giúp hệ thống duy trì ổn định pH trong khoảng 6,8 đến 7,5 mà không cần châm thêm hóa chất kiềm ngoài.

So với các nghiên cứu dùng bùn hoạt tính hiếu khí chỉ xử lý được kim loại ở nồng độ dưới 10 mg/L hoặc các công trình sử dụng bèo tây chỉ tích lũy kim loại tạm thời và dễ tái ô nhiễm khi thực vật phân hủy, mô hình cột lọc kị khí với cơ chất STN tỏ ra ưu việt hơn hẳn về độ ổn định, tuổi thọ vật liệu và khả năng chịu tải nồng độ kim loại cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, 4 khuyến nghị mang tính ứng dụng thực tiễn được đề xuất:

Thứ nhất, triển khai xây dựng hệ thống xử lý sinh học kị khí dòng chảy ngược quy mô thử nghiệm công nghiệp (công suất 20 - 50 m3/ngày) sử dụng giá thể sau trồng nấm tại các cơ sở chế biến mỏ và mạ điện. Mục tiêu giảm thiểu 95% hàm lượng kim loại nặng và nâng pH lên trên 6,5 trong lộ trình 6 đến 9 tháng, do các doanh nghiệp khai khoáng chủ trì phối hợp với các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Thứ hai, thiết lập mạng lưới thu gom, sơ chế và tiêu chuẩn hóa chất lượng phụ phẩm giá thể sau trồng nấm và xơ dừa làm vật liệu lọc sinh thái. Đặt mục tiêu tái sử dụng khoảng 500 tấn bã nấm mỗi năm tại địa phương, giảm 65% chi phí mua vật liệu lọc nhân tạo, thời gian hoàn thiện quy trình trong 3 đến 6 tháng do Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Hội Nông dân các tỉnh triển khai.

Thứ ba, sản xuất chế phẩm sinh học dạng lỏng hoặc dạng hạt cố định chứa hai chủng vi khuẩn khử sunphat STN8 và XD5 nhằm phục vụ quá trình khởi động nhanh các bể kị khí, rút ngắn thời gian thích nghi của hệ thống từ 30 ngày xuống dưới 7 ngày. Dự án cần được thực hiện trong vòng 12 tháng bởi các trung tâm công nghệ sinh học ứng dụng.

Thứ tư, hoàn thiện quy trình rửa giải định kỳ bằng dung dịch axit loãng nồng độ 0,1 M để thu hồi kim loại đồng và sắt từ cơ chất bão hòa, đạt tỷ lệ thu hồi kim loại trên 85% và tái sinh vật liệu lọc trong 2 đến 3 chu kỳ sử dụng, do đội ngũ kỹ sư vận hành trạm xử lý chất thải công nghiệp thực hiện định kỳ hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất: Các kỹ sư môi trường và chuyên viên vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Luận văn cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết về vận tốc dòng chảy, tải lượng COD, thời gian lưu nước thủy lực (HRT từ 24 đến 48 giờ) và cách khắc phục hiện tượng ngộ độc kim loại trong bể kị khí, giúp tối ưu hóa 100% quy trình xử lý nước thải mạ điện và tuyển khoáng.

Nhóm thứ hai: Doanh nghiệp khai thác khoáng sản, sản xuất ắc quy và gia công kim loại. Đơn vị quản lý có thể ứng dụng trực tiếp mô hình cột kị khí giá thể STN để xử lý triệt để nước thải mỏ axit, bảo đảm 100% nước thải sau xử lý đạt chuẩn xả thải loại B theo TCVN 5945-1995, đồng thời cắt giảm hơn 50% chi phí bùn thải nguy hại.

Nhóm thứ ba: Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Môi trường. Tài liệu cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về nuôi cấy vi sinh vật kị khí nghiêm ngặt, kỹ thuật tách dòng gen rADN 16S với độ dài 1500 cặp bazơ và quy trình phân tích kim loại vết bằng AAS.

Nhóm thứ tư: Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và các nhà hoạch định chính sách kinh tế tuần hoàn. Luận văn là cơ sở thực tiễn để ban hành các hướng dẫn kỹ thuật tận dụng hàng triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch nhằm giải quyết các điểm nóng ô nhiễm môi trường công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Vi khuẩn khử sunphat xử lý ion kim loại nặng trong nước thải theo cơ chế nào?
Vi khuẩn khử sunphat sử dụng sunphat làm chất nhận điện tử trong điều kiện kị khí để oxy hóa chất hữu cơ, giải phóng khí hydro sunphua. Khí này kết hợp tức thì với các ion kim loại hòa tan như Cu2+, Fe2+, Zn2+ tạo thành các hạt sunphua kim loại không tan lắng đọng lại trong lớp giá thể lọc với hiệu suất loại bỏ thường đạt trên 95%.

Tại sao giá thể sau trồng nấm lại thể hiện hiệu quả vượt trội hơn than bùn và xơ dừa?
Giá thể sau trồng nấm chứa hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy cao, cấu trúc xốp giàu xenlulozo và lignin cùng hệ vi sinh vật bản địa phong phú. Vật liệu này vừa cung cấp dinh dưỡng cacbon duy trì thế năng oxy hóa khử dưới -100 mV cho vi khuẩn, vừa có dung lượng hấp phụ tĩnh Cu đạt trên 18 mg/g chất khô.

Sự hiện diện của asen trong nước thải có gây ức chế hoạt động của vi khuẩn khử sunphat không?
Thực nghiệm chứng minh nồng độ asen từ 1,0 đến 10 mg/L không gây kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn khử sunphat trong cột phản ứng kị khí. Quần thể vi sinh vật vẫn duy trì hoạt tính khử sunphat ổn định, đồng thời loại bỏ trên 98% asen nhờ cơ chế đồng kết tủa và hấp phụ trên màng sinh học.

Hệ thống bể kị khí cần duy trì những điều kiện môi trường cốt lõi nào để vận hành tối ưu?
Hệ thống đòi hỏi môi trường kị khí tuyệt đối với thế năng oxy hóa khử Eh duy trì dưới -100 mV, độ pH dao động trong khoảng tối ưu từ 6,8 đến 7,5, và nhiệt độ vận hành từ 25 đến 35 độ C. Nồng độ COD đầu vào cần được kiểm soát cân đối với hàm lượng sunphat theo tỷ lệ COD/sunphat lớn hơn 0,67.

Cơ chất sau khi hấp phụ bão hòa kim loại nặng được thu gom và tái xử lý ra sao?
Cơ chất bão hòa được rửa giải bằng dung dịch axit loãng để thu hồi các ion kim loại có giá trị kinh tế như đồng và sắt với hiệu suất thu hồi đạt trên 85%. Bã cơ chất sau rửa giải được trung hòa, sấy khô và xử lý đốt tiêu hủy an toàn trong lò đốt nhiệt độ cao hoặc đóng rắn làm phụ gia vật liệu xây dựng.

Kết luận

• Ứng dụng thành công nguồn phụ phẩm nông nghiệp giá rẻ gồm giá thể sau trồng nấm, xơ dừa và than bùn làm giá thể hữu cơ kết hợp nuôi cấy quần thể vi khuẩn khử sunphat tự nhiên trong cột phản ứng kị khí dòng chảy ngược.
• Đạt hiệu suất loại bỏ ion Cu trên 99,8% (giảm từ 50 mg/L xuống dưới 0,1 mg/L) và loại bỏ As trên 98,5%, đồng thời nâng pH từ 3,5 lên mức trung tính 7,2 nhờ hệ đệm bicacbonat sinh học.
• Phân lập và giải trình tự gen thành công hai chủng vi sinh vật kị khí chủ lực STN8 và XD5 với kích thước gen rADN 16S đạt xấp xỉ 1500 cặp bazơ, mở ra nguồn gen vi sinh vật bản địa giá trị cho xử lý môi trường.
• Thử nghiệm thành công trên nước thải mỏ tuyển quặng thực tế tại Thái Nguyên, chất lượng nước sau xử lý đạt đầy đủ các tiêu chí theo TCVN 5945-1995 Loại B.
• Khẳng định tính khả thi của mô hình kinh tế tuần hoàn khi kết hợp xử lý chất thải rắn nông nghiệp để giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm nước thải công nghiệp nặng.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chứng minh tính hiệu quả, an toàn và kinh tế của việc sử dụng giá thể sau trồng nấm để xử lý đồng thời kim loại nặng và axit trong nước thải mà không bị ức chế bởi asen. Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, công nghệ cần được mở rộng thử nghiệm tại các trạm xử lý nước thải công nghiệp quy mô lớn. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp sinh học bền vững này để tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ nguồn tài nguyên nước quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Nước thải công nghiệp là một trong những nguồn gây ô nhiễm chủ yếu cho môi trường nước. Trong đó đặc biệt là vấn đề nước thải khai thác mỏ và tuyển quặng với các tác nhân gây ô nhiễm chủ yếu như axít, kim loại nặng,. Hiện nay ở Việt Nam, các loại nước thải này gần như không được xử lý hoặc xử lý chưa triệt để được xả trực tiếp ra ao, hồ, ngấm xuống nguồn nước ngầm gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, vật nuôi và cây trồng. Vấn đề này đã và đang là một thực tế đáng báo động và cần sớm có giải pháp xử lý.

Ở Mỹ, người ta đã chi gần 1 triệu đô la Mỹ mỗi ngày để giải quyết vấn đề ô nhiễm do nước thải khai thác mỏ gây ra [Cohen, 2005]. Các kim loại nặng (Hg, Pb, Cd, Cr, As,.) và các hợp chất của chúng là các chất độc tích lũy và chỉ cần một lượng nhỏ đã có hại cho hầu hết các dạng sống. Ở nước ta đã và đang phát hiện nhiều ảnh hưởng tiêu cực của việc ô nhiễm kim loại nặng đối với đời sống và sức khoẻ con người. Ví dụ: Hoạt động nấu chì tái chế tại xã Chỉ Đạo, Hưng Yên đã gây ra một số bệnh cho nhân dân trong xã: số người mắc bệnh hô hấp chiếm tỉ lệ 65,6%, bệnh suy nhược thần kinh 78,1%, bệnh khớp mãn tính 49,4% [Lê Đức và cs, 2000].

Việc ô nhiễm asen trong nước ngầm tại Quỳnh Lôi, Hà Nội [Ngô Ngọc Cát, 2001] và mới đây, hiện tượng làng ung thư tại xã Thạch Sơn- Phú Thọ do sự ô nhiễm kim loại nặng trong nguồn nước là các điển hình khác nữa về sự ô nhiễm cần được quan tâm giải quyết. Có rất nhiều phương pháp để loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải công nghiệp, trong đó phương pháp kết tủa là kỹ thuật thường sử dụng nhất cho việc loại bỏ kim loại nặng [Cohen, 2005]. Tuy nhiên, những kết quả ứng dụng 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] từ thực tế của phương pháp kết tủa đã cho thấy, sự kết tủa làm giảm nồng độ kim loại hòa tan của nước thải xuống đạt mức cho phép thải nhưng giá thành xử lý cao, tạo ra một khối lượng lớn bùn thải có chứa kim loại nặng cần phải xử lý tiếp theo [Ping Zhou và cs, 1999; Brown và cs, 2000]. Mặt khác đối với những nước thải có chứa nồng độ kim loại thấp thì áp dụng phương pháp trên sẽ gặp khó khăn.

Trong trường hợp đó, các phương pháp thay thế thường sử dụng để loại bỏ kim loại nặng như: trao đổi ion, điện phân hoặc chiết,.tỏ ra không kinh tế, hơn nữa kỹ thuật sử dụng phức tạp (thẩm thấu ngược) [Horacek và cs, 1994] hoặc là phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau. Từ các lý do đó, đòi hỏi phải tìm ra phương pháp xử lý mới và hữu hiệu loại bỏ kim loại nặng trong nước thải đồng thời phải thân thiện với môi trường. Quá trình phân hủy sinh học kị khí với việc tận dụng nguồn chất thải nông nghiệp như: rơm, rạ, xơ dừa, vỏ cây, than bùn, cơ chất sau trồng nấm,. được coi là cách tiếp cận đáng chú ý.

Các phụ phẩm nông nghiệp này ít có giá trị kinh tế, số lượng lớn và cần phải xử lý. Nếu tận dụng được nguồn nguyên liệu này thì cả hai vấn đề: môi trường và nông nghiệp được giải quyết, đồng thời tạo ra một thị trường mới cho các chất thải trong nông nghiệp. Nhiều nghiên cứu cho thấy SRB trong các cột phản ứng kị khí với cơ chất rắn có thể được sử dụng hiệu quả để loại bỏ kim loại nặng. Đây là một trong các phương pháp sinh học có nhiều triển vọng cạnh tranh và là một xu hướng đã và đang được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước trên thế giới.

Mặt khác sử dụng phương pháp này còn có thể thu hồi được kim loại sau khi xử lý cơ chất bằng axít. SRB có thể loại bỏ nhiều kim loại (Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Cd,.) làm trung hòa nước thải và làm giảm hàm lượng sunphat có trong nước thải [Dvorak và cs, 1992; Christensen và cs, 1996; Chang và cs, 2000; Hard và cs, 2003; Koydon, 2004]. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ở nước ta, đã có nhiều công trình nghiên cứu xử lý nước thải chứa kim loại nặng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về khả năng loại bỏ kim loại nặng của SRB trong cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất: giá thể sau trồng nấm, xơ dừa, than bùn hầu như chưa được nghiên cứu.

Do vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phương pháp loại bỏ kim loại nặng khỏi nước thải nhờ quần thể vi sinh vật tự nhiên khi sử dụng các loại cơ chất khác nhau”. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu hiệu quả của một số loại cơ chất khác nhau đối với việc loại bỏ kim loại nặng trong cột phản ứng sinh học kị khí. Trên cơ sở đó, thiết lập các điều kiện để xây dựng hệ thống cột/bể phản ứng sinh học kị khí góp phần tìm ra biện pháp hữu hiệu loại bỏ kim loại nặng trong nước thải. Các nội dung nghiên cứu chính - Thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí với các cơ chất sinh học khác nhau để loại bỏ kim loại nặng nhờ hoạt động của vi khuẩn khử sunphat.

- Phân loại và xác định vi khuẩn có khả năng loại bỏ kim loại nặng bằng phương pháp sinh học phân tử. - Nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung bùn kị khí, phân bò lên hoạt động của cột phản ứng. - Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng của các cột phản ứng với các cơ chất khác nhau. - Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy lên khả năng loại bỏ kim loại nặng của các cột phản ứng.

- Thử nghiệm xử lý nước thải công nghiệp có chứa kim loại nặng bằng cột phản ứng sinh học kị khí. Địa điểm thực hiện đề tài 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Trung tâm Sinh học Thực nghiệm, Viện Ứng dụng Công nghệ. - Bộ môn Vi sinh vật, Khoa Sinh học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội. - Trung tâm Nghiên cứu Môi trường nước, Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc, Hàn Quốc.

Tính mới của đề tài - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta nghiên cứu loại bỏ Cu, As khỏi nước thải bằng cột phản ứng sinh học kị khí chảy ngược với cơ chất sinh học dạng rắn và đã chứng minh As không gây ảnh hưởng tới hoạt động của cột phản ứng sinh học kị khí, góp phần đưa ra một biện pháp hiệu quả, an toàn, có thể thu hồi As, tiết kiệm diện tích xử lý cần thiết để xử lý As trong nước thải. - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta nghiên cứu sử dụng chất thải rắn nông nghiệp (giá thể sau trồng nấm, xơ dừa, than bùn) để thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí chảy ngược cho xử lý nước thải có chứa As, Cu, góp phần khẳng định ý nghĩa của việc tận dụng nguồn chất thải rắn nông nghiệp để làm sạch môi trường. - Đây là công trình đầu tiên ở nước ta chứng minh hiệu quả của việc sử dụng giá thể sau trồng nấm để thiết lập cột phản ứng sinh học kị khí để xử lý Cu, As trong nước thải, từ đó đề xuất sử dụng cơ chất này cho thiết kế, xây dựng các hệ thống xử lý nước thải chứa kim loại nặng ở qui mô lớn. Khả năng ứng dụng của đề tài - Kết quả của đề tài đã được ứng dụng để xử lý nước thải của Trung tâm Nghiên cứu thực nghiệm sản xuất mỏ và luyện kim Thái Nguyên.

Kết quả cho thấy, nước thải sau xử lý đạt TCVN (5945-1995) cho nước thải công nghiệp loại B. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] - Kết quả của đề tài có thể phát triển để xây dựng các cột/bể phản ứng sinh học kị khí ở qui mô lớn hơn với cơ chất là chất thải nông nghiệp trong việc xử lý nước thải chứa kim loại nặng. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Phân loại nƣớc thải Việc phân loại nước thải theo nguồn gốc phát sinh ra chúng là cơ sở để lựa chọn biện pháp giải quyết và công nghệ xử lý.

Theo nguồn gốc phát sinh có thể chia nước thải nói chung thành hai loại: nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Nƣớc thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải của các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan. tức là tất cả các loại nước thải sau quá trình sinh hoạt của con người. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền vững, dễ bị phân hủy sinh học (như cacbohydrat, protein, lipit.), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ.), vi sinh vật, chất rắn và mùi [Hoàng Kim Cơ và cs, 2001].

Chất bẩn vô cơ trong nước thải sinh hoạt gồm các chất khoáng, ion vô cơ. Nồng độ của các ion vô cơ trong nước thải có thể biến động trong phạm vi 300-3000 mg/L, trung bình là 500 mg/L. Tùy thuộc vào nhiều yếu tố mà thành phần nước thải ở các địa điểm khác nhau cũng khác nhau và thay đổi trong một ngày đêm. Nƣớc thải công nghiệp Nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải,.

Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất. Các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm phát sinh một tỉ lệ lớn các chất thải loại so với các ngành công nghiệp khác. Nước thải của các xí nghiệp thuộc da ngoài chất hữu 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] cơ còn có kim loại nặng, sunphua. Nước thải của xí nghiệp ắc quy có nồng độ axít, chì cao.

Lưu lượng nước thải sản xuất cũng phụ thuộc vào từng cơ sở sản xuất, thậm chí tại cùng một cơ sở sản xuất lượng nước thải cũng dao động rất lớn theo từng thời điểm sản xuất [Hoàng Kim Cơ và cs, 2001]. Kim loại nặng trong môi trƣờng nƣớc 1. Kim loại nặng và sự chuyển hoá trong môi trƣờng nƣớc Kim loại nặng là các nguyên tố có sẵn trong tự nhiên: trong đá, đất, trầm tích, nước và cơ thể sống.