MỞ ĐẦU Hiện nay ở Việt Nam, với tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá nhanh chóng cùng với sự gia tăng dân số đang gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước. Mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn đang là vấn đề rất đáng lo ngại. Trong số các tác nhân ô nhiễm nước, các loại vi sinh vật gây bệnh có tác hại đặc biệt nguy hiểm. Nước ô nhiễm các loại vi khuẩn này nếu không được kiểm soát và xử lý tốt sẽ dẫn đến việc lan truyền các dịch bệnh trong cộng đồng như thương hàn, kiết lỵ, dịch tả, viêm gan, tiêu chảy… Cho đến nay, các chất khử trùng sử dụng phổ biến là ozon và các chế phẩm clo hoạt tính.
Tuy hiệu quả xử lý tốt nhưng ozon thường không ổn định, các hợp chất clo hoạt tính tồn dư cũng tiềm ẩn nguy cơ gây hại cho môi trường. Việc nghiên cứu phát triển các hệ vật liệu khử khuẩn hiệu quả cao và thân thiện môi trường do đó được đặc biệt quan tâm thời gian gần đây. Trong lĩnh vực xử lý nước, vật liệu nano từ gần đây được nghiên cứu rất mạnh mẽ nhờ có các ưu điểm vượt trội: bề mặt riêng lớn, hiệu quả xử lý tốt, an toàn môi trường và đặc biệt là dễ dàng thu hồi, tách loại sau khi xử lý với sự hỗ trợ của từ trường. Mặt khác, hạt nano từ còn có khả năng dễ dàng biến tính, chức năng hóa bề mặt, tạo ra các vật liệu nanocomposit có tính năng rất đa dạng và hấp dẫn.
Với đối tượng nước ô nhiễm vi sinh vật, oxit sắt từ nano có thể biến tính với các chất khử khuẩn khác nhau, các công bố khoa học theo hướng nghiên cứu này có xu hướng tăng lên mạnh mẽ trong những năm gần đây. Hạt bạc nano từ lâu đã được quan tâm làm chất diệt khuẩn do có hoạt tính cao đối với vi khuẩn cả gram (+) và gram (-). Để tăng hoạt tính kháng khuẩn của bạc, gần đây các nhà khoa học tập trung nghiên cứu tổng hợp hạt bạc nano trên các chất mang khác nhau. Việc sử dụng chất mang là sắt từ nano có ưu điểm vượt trội về khả năng thu hồi sau khi xử lý, tránh được việc thải bạc nano một cách không kiểm soát.
Điều này đặc biệt hấp dẫn, khi gần đây có một số ý kiến cho rằng hạt bạc nano dù sao cũng có khả năng gây độc hại cho con người. Ngoài bạc nano, hoạt tính kháng khuẩn của một số polyme cũng được quan tâm chú ý, đặc biệt là polyme gốc guanidin, đây là nhóm hợp chất có hoạt tính diệt 2 khuẩn mạnh trên phổ rộng và không độc. Polyguanidin được nghiên cứu khá mạnh thời gian gần đây để ứng dụng làm chất khử trùng cho nước ô nhiễm. Cho đến nay, các nghiên cứu hầu hết đều sử dụng polyguanidin ở dạng tự do, chưa có công trình nào nghiên cứu tổng hợp composit của polyguanidin với sắt từ nano.
Trong lĩnh vực xử lý nước thải, việc giảm giá thành vật liệu xử lý là rất quan trọng, để có thể mở rộng phạm vi ứng dụng thực tế. Hướng nghiên cứu sử dụng các vật liệu có nguồn gốc thiên nhiên, hoặc tái sử dụng từ các chất thải công nghiệp khác nhau, đang thu hút sự quan tâm mạnh mẽ của đông đảo các nhà khoa học trên thế giới. Dung dịch tẩy gỉ thải bỏ sau khi sử dụng của các nhà máy gia công sắt, thép là một nguồn nước thải chứa sắt rất đáng chú ý. Đây là một chất thải được xếp vào loại nguy hại do nồng độ sắt và đặc biệt độ axit rất cao (pH thường <0,1).
Phương pháp xử lý dung dịch tẩy gỉ thường là trung hòa bằng vôi sống (CaO) hoặc các tác nhân kiềm rẻ tiền khác rồi thải bỏ. Việc xử lý như vậy sẽ sinh ra lượng bùn lớn, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm nước ngầm do rò rỉ kim loại nặng. Khoảng chục năm trở lại đây, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu tái sử dụng dung dịch tẩy gỉ, các muối và oxit sắt, tuy nhiên các sản phẩm này có giá trị rất hạn chế, nên việc áp dụng thực tế gặp khó khăn. Từ những lý do trên, việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng tính chất vật liệu nanocomposit từ tính kháng khuẩn, định hướng ứng dụng khử trùng nước thải”, là hết sức cần thiết.
* Mục tiêu nghiên cứu Tổng hợp và đặc trưng tính chất của nanocomposit từ tính kháng khuẩn, sử dụng sắt thu hồi từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy thép, biến tính với tác nhân kháng khuẩn hạt bạc nano và polyme khử khuẩn gốc guanidin. Vật liệu có hoạt tính kháng khuẩn cao, thân thiện môi trường và dễ dàng tách loại sau khi xử lý. * Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp và đặc trưng tính chất của oxit sắt từ nano từ dung dịch tẩy gỉ thải bỏ của nhà máy thép. - Tổng hợp và đặc trưng tính chất của nanocomposit oxit sắt từ nano với nano bạc.
Khảo sát đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu. - Tổng hợp và đặc trưng tính chất của polyguanidin và sử dụng để chức năng hóa 3 oxit sắt từ nano. Khảo sát đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của vật liệu. - Thử nghiệm ứng dụng vật liệu nanocomposit từ tính kháng khuẩn để xử lý mẫu nước thải thực tế.
HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM VI SINH VẬT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1. Hiện trạng nước thải nhiễm vi sinh vật Theo thống kê và đánh giá của Bộ Y tế và Bộ Tài nguyên – Môi trường, trung bình mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 9000 người tử vong vì nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém [1]. Trong số các tác nhân ô nhiễm nước, vi sinh vật gây bệnh có tác hại hết sức nghiêm trọng do khả năng lan truyền dịch bệnh rất nguy hiểm. Các nguồn nước thải bị ô nhiễm vi sinh vật chủ yếu là nước thải sinh hoạt, nước thải khu chăn nuôi và nước thải bệnh viện.
a) Nước thải sinh hoạt Tốc độ đô thị hóa tại Việt Nam đang diễn nhanh chóng dẫn đến tình trạng ô nhiễm nước rất nặng nề do cơ sở hạ tầng phát triển không cân xứng. Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại đô thị đặc biệt thô sơ. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ, nồng độ dao động trong khoảng 150-450 mg/L, ngoài ra còn chứa các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi rút gây bệnh rất nguy hiểm. Trong nước thải sinh hoạt không xử lý có thể chứa tới hàng triệu vi khuẩn trong 1 mL, bao gồm Coliform, Streptococcus, các trực khuẩn khị khí sinh bào tử, nhóm Proteus và các loại khác có nguồn từ đường ruột con người.
Tổng Coliform có thể lên đến trên 107 CFU/100mL [1,2]. b) Nước thải chăn nuôi Chăn nuôi là một trong những ngành nông nghiệp phát triển nhanh nhất ở Việt Nam trong những năm qua. Chăn nuôi phát triển có thể gây ô nhiễm đất, nước và không khí, gây ra những tác động đáng kể đến sức khỏe con người và sức khỏe động vật, hệ sinh thái. Chăn nuôi gây ô nhiễm môi trường không những do chất thải của chính vật nuôi mà còn do quá trình sản xuất chăn nuôi tạo nên (bao gồm chất thải từ các nhà máy sản xuất thức ăn chăn nuôi, quá trình giết mổ, sản xuất thuốc thú y, chuẩn đoán xét nghiệm bệnh động vật, xử lý ổ dịch.
Theo báo cáo của đề tài “Quản lý môi trường trong ngành chăn nuôi ở Việt Nam trong bối cảnh Việt Nam tham gia các Hiệp định thương mại tự do thế hệ mới” của Viện Địa lý Nhân 5 văn do ThS. Nguyễn Thị Kim Dung làm chủ nhiệm [3], tổng khối lượng phân gia súc tạo ra trên toàn quốc năm 2016 ước tính là 86,73 triệu tấn, trong đó lợn chiếm nhiều nhất (30,6%), sau đó đến gia cầm (30,4%), tiếp đến là bò (23,1%) và trâu (15,9%). Phân của vật nuôi chứa nhiều chất chứa nitơ, phốt pho, kim loại nặng và các vi sinh vật gây hại khác. Ngoài ra, ô nhiễm môi trường còn có thể xảy ra trong quá trình giết mổ, sơ chế sản phẩm động vật.
Quá trình sinh sống của gia súc, gia cầm ngoài thải ra chất thải nói trên thì còn bài thải các loại khí hình thành từ quá trình hô hấp của vật nuôi và thải ra các loại mầm bệnh, ký sinh trùng, các vi sinh vật có thể gây hại đến sức khỏe con người và môi trường sinh thái như: E. Coli, Salmonella, Streptococcus fecalis, Enterobacteriae… Nồng độ vi sinh có thể lên tới 107-108 CFU/mL [3]. Đồng thời, nước thải từ các cơ sở giết mổ gia súc cũng có nồng độ ô nhiễm rất cao bao gồm nhiều loại vi sinh vật gây bệnh [4]. c) Nước thải y tế Nước thải y tế là nước thải phát sinh từ các cơ sở y tế.
Trong nước thải y tế, ngoài những yếu tố ô nhiễm thông thường như các chất hữu cơ, còn có những chất bẩn khoáng và chất hữu cơ đặc thù, các vi khuẩn gây bệnh, chế phẩm thuốc, chất khử trùng, các dung môi hóa học, dư lượng thuốc kháng sinh và có thể có các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh [5,6]. Nước thải y tế có thể chứa các vi sinh vật gây bệnh như: Samonella typhi gây bệnh thương hàn, Samonella paratyphi gây bệnh phó thương hàn, Shigella sp. gây bệnh lỵ, Vibrio cholerae gây bệnh tả,. Ngoài ra trong nước thải y tế còn chứa các vi sinh vật gây nhiễm bẩn nguồn nước từ phân như sau: - Coliforms và Fecal coliforms: Coliform là các vi khuẩn hình que gram âm có khả năng lên men lactose để sinh ga ở nhiệt độ 35 ± 0,5oC.
Coliform có khả năng sống ngoài đường ruột của động vật (tự nhiên), đặc biệt trong môi trường khí hậu nóng. Nhóm vi khuẩn coliform chủ yếu bao gồm các loài như Citrobacter, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella và cả Fecal coliforms (trong đó E. coli là loài thường dùng để chỉ định nguồn nước bị ô nhiễm bởi phân). - Fecal streptococci: nhóm này bao gồm các vi khuẩn chủ yếu sống trong đường ruột của động vật như Streptococcus bovis và S.
Một số loài có 6 phân bố rộng hơn hiện diện cả trong đường ruột của người và động vật như S. - Clostridium perfringens: đây là loại vi khuẩn chỉ thị duy nhất tạo bào tử trong môi trường yếm khí. Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải y tế (QCVN 28:2010/ BTNMT) của Bộ Tài nguyên và Môi trường đã quy định tổng Coliform từ 3000 – 5000 MPN/100 mL, các khuẩn Salmonella, Shigella, Vibrio cholerae không phát hiện [7].