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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com - 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 luanvanchat@agmail.com - 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.