CHƯƠNG 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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].
Trên thực tế mẫu nước thải bệnh viện có chỉ số vi sinh cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn, tổng Coliform dao động từ 106 đến 109 (MNP/100mL) (MNP - Most probable number) [8]. Các phương pháp khử khuẩn a) Các phương pháp vật lý - Khử khuẩn bằng tia cực tím Tia cực tím có thể sử dụng vào mục đích cải thiện chất lượng nước ăn uống khi sử dụng nó làm tác nhân diệt khuẩn. Vùng ánh sáng có tác dụng diệt khuẩn cao nhất là vùng có bước sóng 200 – 280 nm, đó là vùng tia cực tím được axit nucleic hấp thụ mạnh và chịu biến đổi sâu sắc do tác động của tia UV. Các tế bào khi hấp thụ tia cực tím sẽ bị mất khả năng hoạt động [9].
- Khử khuẩn bằng phương pháp lọc màng: Màng lọc được sử dụng để tách các chất rắn hoặc tan ra khỏi nước tùy thuộc vào kích thước mao quản của màng. Kích thước của phần lớn các loại vi sinh vật nằm trong khoảng độ lớn μm, còn kích thước mao quản của màng vi lọc nằm trong vùng 0,1 – 20 μm, của màng siêu vi lọc nhỏ hơn 0,1 μm. Màng vi lọc và siêu vi lọc vì vậy có thể sử dụng để tách loại vi sinh ra khỏi môi trường nước. Nhược điểm của phương pháp này là hay bị tắc màng [10].
- Khử khuẩn bằng siêu âm: Dùng sóng siêu âm với cường độ lớn có thể tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước [10]. - Khử khuẩn bằng phương pháp nhiệt: Đây là phương pháp cổ truyền, nước được đun sôi khoảng 100°C [10]. b) Các phương pháp hóa học LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Cơ sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường được sử dụng là: clo, ozon, hydro peroxit.
Do hiệu suất cao nên phương pháp khử trùng bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi quy mô. - Khử khuẩn bằng các hợp chất của clo Các hợp chất clo là tác nhân diệt khuẩn được sử dụng phổ biến nhất để khử các mầm bệnh trong nước, thường sử dụng khí clo, cloramin và hypoclorit. Các yếu tố nhiệt độ, độ pH và hàm lượng hữu cơ trong nước ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình khử trùng. Khí clo khi hòa tan trong nước sẽ tạo thành axit clohydric (HCl) và axit hipoclorơ (HOCl) (phương trình 1.1), có tác dụng diệt khuẩn cực mạnh, làm thay đổi cấu trúc hóa học của các enzyme, chính là nền tảng của cơ chế dinh dưỡng của vi khuẩn, từ đó ức chế sự phát triển cũng như sự sống của chúng [11].
Cl2 + H2O ↔ H+ + Cl- + HOCl (1.1) Clo dioxit là một chất diệt khuẩn khác, có hoạt tính bằng hoặc cao hơn clo. Clo dioxit là chất khí màu vàng lục, mùi hắc, tan trong nước nhưng kém bền thường được tạo ra từ natri hypoclorit và axit clohydric theo phản ứng sau [12]: 5 NaClO2 + 4 HCl ↔ 4 ClO2 + 5 NaCl + 2 H2O (1.2) Natri hypoclorit (NaOCl) là hợp chất clo hoạt tính từ lâu đã được ứng dụng trong lĩnh vực khử trùng hóa học. Trong môi trường nước NaOCl thủy phân theo các phản ứng sau: NaOCl + H2O → NaOH + HOCl (1.4) Các yếu tố nồng độ NaOCl cao, pH thấp, nhiệt độ cao và ánh sáng mặt trời đều làm tăng tốc độ phân rã của NaOCl. Cloramin (NH2Cl) được sử dụng làm tác nhân khử khuẩn từ rất sớm, cloramin được tạo thành khi nước chứa ammoniac được khử trùng bằng clo, hoặc khi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 ammoniac được thêm vào bể chứa clo.
Tuy nhiên, NH2Cl khử trùng yếu hơn so với clo tự do, kém hiệu quả đối với virus [13]. Các hợp chất clo hoạt tính tuy khử trùng hiệu quả nhưng có nhược điểm là chúng có thể tạo thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng clo dư sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ tự nhiên (như axit humic và axit fulvic) tạo thành một loạt các hợp chất halogen-hữu cơ độc hại như trihalometan, axit haloacetic, chlorophenol, chloral hydrat và haloacetonitril, trong đó trihalomethan và acetoacetic được cho là chất gây ung thư [12,14]. - Khử khuẩn bằng hydro peoxit H2O2 là một chất oxy hóa mạnh, hơn cả clo, clo dioxit.
Thế oxy hóa của H2O2 chỉ sau ozon, có tác dụng diệt khuẩn cũng như các chất ô nhiễm khác trong nước. H2O2 phản ứng rất nhanh, không tạo ra sản phẩm phụ, tuy nhiên có nhược điểm là dễ phân hủy ở nhiệt độ cao và trong nguồn nước bẩn [15,16]. - Khử khuẩn bằng ozon Ozon (O3) là chất khí không bền, nhanh chóng phân hủy trở lại thành O2 và nguyên tử oxy hoặc dạng gốc tự do.5) Oxy dạng gốc tự do có hoạt tính mạnh và không tồn tại lâu. Khả năng diệt khuẩn và virut của ozon cao hơn nhiều so với clo, đồng thời là chất oxy hóa mạnh, có thể xử lý các tác nhân ô nhiễm khác.
Nhược điểm của ozon là không ổn định, chỉ từ vài giây đến 30 phút [17]. c) Các phương pháp hóa lý Một trong những khó khăn khi sử dụng hóa chất khử khuẩn là vận chuyển và bảo quản hóa chất, nhất là ở các vùng không thuận lợi về cung ứng hàng hóa.