Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Bởi: Ngô Tự Thành Môi trường Môi trường (enviroment), theo định nghĩa khái quát nhất, tổng thể yếu tố tự nhiên nhân tạo xung quanh cá thể (người, động vật, thực vật, vi sinh vật), xung quanh cá thể loài Các yếu tố có quan hệ mật thiết với có ảnh hưởng tới đời sống , tồn phát triển cá thể loài nói Nói cách khác, môi trường tổng thể yếu tố vô sinh hữu sinh bao quanh cá thể loài sinh vật, có ảnh hưởng tới tồn phát triển chúng Trong hoàn cảnh cụ thể đó, ví dụ nói ô nhiễm môi trường, người ta thường có ý nói môI trường bao quanh người , hay môi trường sống người Tất nhiên, nghĩa môI trường loài khác Trong khuôn khổ môn học này, không đề cập tới khái niệm hay định nghĩa rộng môi trường sống người bao hàm yếu tố xã hội, hay gọi môi trường xã hội – tức tổng thể mối quan hệ người với Chúng ta thảo luận môi trường sống tự nhiên người, hay môi trường sống, hay môi trường gồm yếu tố tự nhiên nhân tạo, đề cập Cần lưu ý nêu khái niệm “môi trường tự nhiên” nhằm không đề cập tới “môi trường xã hội”, không nhằm đối lập với “ môi trường nhân tạo” bao gồm yêu tố người tạo nên Theo nghĩa khái quát nhất, nói tới môi trường (environment) nói tới môi trường hay gì? 1/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Các yếu tố môi trường xếp thành nhóm nào? Sự ô nhiễm môi trường Theo quan niệm thông thường, ô nhiễm môi trường thay đổi tính chất tự nhiên (về sinh học, vật lý hóa học) môi trường, mà thay đổi thường có hại cho sức khỏe hoạt động người có hại cho loài sinh vật Sự thay đổi tính chất hóa học môi trường biểu xuất hay gia tăng hay nhiều chất độc hại gọi chất gây ô nhiễm (pollutant) biểu khác Vẫn theo quan niệm này, nhà quản lý môi trường có ý nói thêm ô nhiễm môi trường thay đổi môi trường khiến cho số môi trường vượt tiêu chuẩn môi trường quy định quốc gia Theo quan niệm sinh thái học, môi trường gồm kho vật chất có kích thước (lượng vật chất) định nguyên tố hóa học; ô nhiễm môi trường khả tự điều chỉnh kích thước kho Ví dụ, nguyên tố cacbon chứa nhiều kho kho CO2 nhiều kho chất hữu vô ; kho CO2 vượt nhiều so với kích thước vốn có nhiều kỷ trước đây, gia tăng không ngừng, tức khả tự điều chỉnh mức cũ; biểu ô nhiễm môi trường theo quan điểm sinh thái học Riêng môi trường nước có phần đặc biệt nguồn nước để uống (potable water) Vì nước để uống có liên quan chặt chẽ với đời sống sức khỏe người nên quan tâm trước hết đến ô nhiễm vi sinh vật tức đến chât lượng vi sinh vật học Việc kiểm tra chất lượng vi sinh vật học xử lý để loại bỏ vi sinh vật nước để uống đề cập chương 16 không thuộc khái niệm sinh học mục 12.3.2 phục hồi sinh học mục 12.3.3 Sự ô nhiễm môi trường nguyên nhân tự nhiên ( hoạt động núi lửa, động đất, bão, lụt, v v ) hoạt động người (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, v v ) Tuy nhiên, nguyên nhân người ngày lưu ý, nhấn mạnh, hoạt động người dẫn đến ô nhiễm môi trường điều ngày hiển nhiên trầm trọng khiến không hành động để cứu lấy Trái đất – môi trường sống, nhà chung hệ mai sau Ngoài ra, mặt ý thức, cần nhận thức ô nhiễm môi trườngnhư nói lỗi người chúng ta, cần nhấn mạnh để tìm cách hạn chế khắc phục Có cách hiểu ô nhiễm môi trường Có giống khác quan niệm ấy? 2/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Kho vật chất nguyên tố hóa học gì? Nguyên nhân ô nhiễm môi trường? Chất gây ô nhiễm gì? Phân hủy sinh học, xử lý sinh học, phục hồi sinh học Phân hủy sinh học Có nhiều cách hiểu phân hủy sinh học (biodegradation): • Đó chuyển hóa chất hữu cơ, chủ yếu vi sinh vật, thành sản phẩm cuối dạng vô • Đó phân hủy hóa học chất hữu cơ, chủ yếu sinh vật enzym chúng Trong tự nhiên, phân hủy sinh học gần hai phần đối lập tuần hoàn vật chất, phần tổng hợp chất hữu từ chất vô (Xem mục 1.4 chương 7) Đối với đời sống sản xuất người, tùy theo trình phân hủy sinh học cụ thể mà có lợi (phân hủy phân tử phức tạp thành sản phẩm công nghiệp lên men rượu, axit hữu v.v.), hay có hại (phân hủy nguyên vật liệu giấy, vải, sơn v.v.) Mọi thể sống cần phải có khả sử dụng tức chuyển hóa chất dinh dưỡng mà chúng hấp thu thành vật chất (sinh khối) lượng Tuy nhiên, kỳ lạ thay, số vi sinh vật có khả sử dụng nguồn dinh dưỡng lượng chất hữu tổng hợp vốn xa lạ với sống theo nghĩa sinh học (các xenobiotic), thường độc hại với sinh vật, sử dụng hydrocacbon dầu mỏ chút giá trị dinh dưỡng người Chính vi sinh vật kỳ diệu cứu cánh người để xử lý môi trường ô nhiễm chất độc hại (xem chuyên mục bạn có biết? Bạn nghĩ gì? ) Tuy nhiên, đừng quên chất hữu tự nhiên (thông thường, không độc hại) cellulose, đường, protein v.v., vượt ngưỡng nồng độ môi trường gây ô nhiễm theo nghĩa làm biến đổi tính chất môi trường theo hướng không mong muốn Những chất phân hủy, “xử lý” nhiều loài vi sinh vật thông thường Bởi vậy, lĩnh vực xử lý môi trường ô nhiễm, người ta muốn vi sinh vật thực phân hủy sinh học để phân hủy chất gây ô nhiễm độc hại môi trường thành 3/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm chất không độc ại độc hại hơn, giảm nồng độ chúng xuống tới mức an toàn Tuy vậy, kết ý muốn: phân hủy sinh học chuyển hóa chất không độc thành chất độc, chất độc thành chất độc “Bạn có biết? Bạn nghĩ gì?CÓ CẦN NHỚ ĐẾN CÁC SINH VẬT TỪ NGOÀI HÀNH TINH?” “Theo tiểu thuyết hư cấu khoa học, sinh vật đến từ hành tinh có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác chúng ta, chúng ăn, uống, hít thở chất mà hấp thụ ” “Như vậy, thể xa lạ vô giá chúng giúp làm (loại trừ) chất gây ô nhiễm hành tinh dầu thô, xăng, thủy ngân…, tất độc hại cối, động vật người.” “May thay, không cần chờ đợi viếng thăm thể có trí tưởng tượng ấy, mà giải vấn đề mình, nhờ thể sống có thực quanh ta: nhiều vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng giống người (nên chúng “ăn vụng” làm hỏng thực phẩm chúng ta!), có vi sinh vật khác lại chuyển hóa chất mà “món ăn” thể giả tưởng! Trên đây, kim loại nặng, lưu huỳnh, nitơ dạng khí, dầu thô, chí polyclorinat biphenyls (PCBs) thủy ngân Bằng chứng thuyết phục “giúp đỡ người” vi sinh vật kỳ diệu việc xử lý thành công môi trường rộng lớn bị ô nhiễm vụ tràn dầu Exxon Valdez (xem chuyên mục Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? Trang…)” Về mặt hóa học, phân hủy sinh học diễn một, hai, hay ba mức độ sau đây, tùy theo chất chất bị phân hủy, tùy theo điều kiện môi trường vi sinh vật thực hiện: • Một thay đổi nhỏ phân tử hữu cơ, qua cấu trúc chủ yếu phân tử không thay đổi • Một phân hủy triệt để phân tử hữu phức hợp cho phần nhỏ tạo lại kết hợp với để tái tạo cấu trúc ban đầu • Một vô hóa hoàn toàn phân tử hữu cơ, nghĩa tạo thành phân tử vô Nếu xét chất hữu cụ thể thuộc ba nhóm sau đây: • Có khả bị phân hủy sinh học (biodegradable), nghĩa chịu chuyển hóa sinh học • Bền vững (persistent), nghĩa không bị phân hủy sinh học số môi trường • Rất bền vững (recalcitrant), chất không bị phân hủy sinh học nhiều môi trường khác 4/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Ở góc độ khác nữa, chất thuật ngữ có khả bị phân hủy sinh học (biodegradabbe) phân hủy sinh học (biodegradation) không hàm ý mức độ phân hủy Sự chuyển hóa bao gồm hay nhiều phản ứng, hiệu ứng chuyển hóa nhỏ hay lớn Do có khái niệm nữa, mức độ phân hủy sinh học: chuyển hóa sinh học (biotransformation) - trình vi sinh vật thực hiện, hợp chất ban đầu chuyển thành sản phẩm thứ cấp trung gian Cùng phân hủy sinh học xảy nhiều mức độ khác nên phân biệt: • Sự phân hủy sinh học sơ (primary biodegradation) thường hiểu thay đổi phản ứng riêng lẻ gây ra, • Sự phân hủy sinh học phần (partial biodegradation) thay đổi nhiều hóa học Tuy nhiên, theo cách nói thông thường, nói chất có khả bị phân hủy sinh học người ta muốn nói bị vô hóa Sự vô hóa (mineralization) phân hủy triệt để (hoàn toàn) thành sản phẩm cuối CO2, H2O chất vô khác Nói chung chất vô hại, phân hủy sinh học người khai thác, tận dụng tăng cường để dùng cho trình xử lý sinh học phục hồi sinh học Nói cách khác, phân hủy sinh học tiên đề, sở xử lý sinh học phục hồi sinh học Hiểu phân hủy sinh học (biodegration), theo nghĩa rộng theo nghĩa thông thường? Có nghĩa thuật ngữ riêng cho lĩnh vự xử lý môi trường ô nhiễm không? Dưới góc độ phân hủy sinh học hiểu nguồn vật chất (hoặc dinh dưỡng) lượng “thông thường” “không thông thường”? Kể vài ví dụ cho nhóm Vì sử dụng số vi sinh vật để xử lý môi trường ô nhiễm chất độc hại? Có thể nói hóa học phân hủy sinh học? Có thể nói khả bị phân hủy sinh học chất nói chung? Vì phân hủy sinh học tiền đề, sở xử lý sinh học phục hồi sinh học? Xử lý sinh học Trước hết, bàn khái niệm xử lý (treatment) khuôn khổ môn học Chúng ta thường nói tới việc xử lý môi trường (thực xử lý môi trường ô nhiễm), mà diễn 5/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm đạt mức thực việc xử lý chất gây ô nhiễm môi trường Việc xử lý chất gây ô nhiễm xử lý không sinh học (non-biological treatment) thiêu đốt, hấp phụ (adsorption),v.v liệu chứa chất gây ô nhiễm hay chất gây ô nhiễm; xử lý sinh học (biological treatment) Trong khuôn khổ giáo trình chủ yếu đề cập đến xử lý sinh học Bây giờ, cần nhận thức xử lý sinh học phải dựa sở phân hủy sinh học: phân hủy sinh học thường xảy tự nhiên, lúc nơi có đủ điều kiện cho xảy ra, chậm Còn trình xử lý sinh học, người ta tăng cường phân hủy sinh học cách tạo điều kiện thuận lợi đến mức cho vi sinh vật, để chúng sinh trưởng phân hủy chất gây ô nhiễm Tiếp theo, cần phân biệt hai khái niệm gần hay dung lẫn cho nhau, thực có khác nhau: xử lý sinh hoc phục hồi sinh học Sự phân biệt đề cấp mục 12.3.3 Thực chất xử lý môi trường xử lý môi trường xử lý môi trường ấy? Hãy tự tìm hiểu suy luận để biết sơ qua nguyên lý xử lý không sinh học, từ trình bày vắn tắt khác nguyên lý xử lý không sinh học với xử lý sinh học Vì xử lý sinh học phải dựa tiền đề sở phân hủy sinh học Xử lý sinh học gì? Phục hồi sinh học Như đề cập, thực chất “xử lý môi trường” “xử lý chất gây ô nhiễm môi trường bị ô nhiễm” Tương tự, thực chất “xử lý sinh học môi trường” “xử lý sinh học chất gây ô nhiễm môi trường” Trái lại, nói đến “phục hồi sinh học môi trường ô nhiễm” muốn nói đến tác động vào môi trường ô nhiễm ấy, thông qua việc xử lý sinh học chất gây ô nhiễm, để trả môi trường trở trạng thái an toàn Sự khác nhỏ hai thuật ngữ hai khái niệm chỗ Chính khác nhỏ mà, hiểu đúng, dùng lẫn hai khái niệm cho Nói cách khác, gần đúng, phục hồi sinh học xử lý sinh học Nói hơn, phục hồi sinh học dựa sở xử lý sinh học, tứ dựa sở phân hủy sinh học Có số cách hiểu phục hồi sinh học: 6/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm • Trong phạm vi môn học thì: Phục hồi sinh học (bioremediation) trình tạo điều kiện cho vi sinh vật chúng phân hủy nhanh chất gây ô nhiễm hữu độc hại môi trường để trả môi trường ô nhiễm trạng thái an toàn • Theo cách hiểu rộng rãi thì: Phục hồi sinh học trình tự phát có điều khiển, xảy phân hủy sinh học (nhất vi sinh vật học) chất gây ô nhiễm làm giảm bớt loại bỏ ô nhiễm môi trường Sự tự làm dòng sông hay suối bị ô nhiễm nhẹ ví dụ phục hồi sinh học tự phát; nhiên chủ đề phần III Chủ đề trình phục hồi sinh học có kiểm soát • Gần khái niệm phục hồi sinh học mở rộng, bao gồm trình sinh học kể thực vật, làm kết tủa cố định chất gây ô nhiễm vô cơ, ví dụ kim loại nặng Cách hiểu mở rộng không thuộc khái niệm nêu đây, đề cập vắn tắt phần sau Sự phân hủy chất gây ô nhiễm hữu nhờ vi sinh vật trình xảy tự nhiên bị giới hạn điều kiện vật lý, hóa học môi trường Những ví dụ điều kiện giới hạn là: cấu trúc phân tử chất gây ô nhiễm tính đề kháng phân hủy sinh học, thiếu tiếp xúc chất gây ô nhiễm với chủng vi sinh vật phân hủy, có mặt chủng vi sinh vật có khả phân hủy chất gây ô nhiễm, điều kiện môi trường thích hợp cho vi sinh vật Trong hệ thống phục hồi sinh học, điều kiện giới hạn phân hủy sinh học cải biến đi, hoạt động phân hủy vi sinh vật nâng cao, chẳng hạn việc hiệu chỉnh vài nhân tố môi trường vốn giới hạn hoạt tính sinh học Việc tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật (cũng gọi kích thích chúng) bao gồm bổ sung cung cấp chất dinh dưỡng, chất cho điện tử, chất nhân điện tử cuối cùng, kết hợp việc ấy, tạo điều kiện thuận lợi khác (về pH, nhiệt độ v.v.) để tăng cường sinh trưởng, tăng cường phân hủy sinh học chuyển hóa sinh học Mục đích cuối phục hồi sinh học vô hóa chất gây ô nhiễm, nghĩa chuyển hóa hóa chất có hại thành hợp chất hại, cacbon dioxit số khí khác, chất vô cơ, nước, vật chất tế bào vi sinh vật phân hủy Hầu hết vi sinh vật dùng oxy để oxy hóa phân hủy sinh học chất hữu (sự phân hủy sinh học hiếu khí); vi sinh vật khác dùng nitrat, sulfat, metan, chất nhận điện tử khác (sự phân hủy sinh học kỵ khí) Trước kia, hầu hết trình phục hồi sinh học dựa vào phân hủy sinh học hiếu khí Nguyên nhân nhiều chất gây ô nhiễm dễ bị phân hủy điều kiện hiếu khí, phân hủy kỵ khí thường diễn với tốc độ chậm hơn, việc trì điều kiện kỵ khí trình phục hồi sinh học có điều khiển khó so với trì điều kiện hiếu khí Các trình kỵ kí dành cho số nhóm chất gây ô nhiễm dễ bị phân hủy kỵ khí, 7/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm ví dụ chất clo hóa mức độ cao Trong giáo trình chủ yếu đề cập đến phân hủy sinh học hiếu khí áp dụng rộng rãi Sự phân hủy sinh học kỵ khí đề cập mức độ hạn chế Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học thường vi sinh vật địa (indigenous microorganisms) Tuy nhiên quần thể khả phân hủy chất đích bị ức chế yếu tố môi trường cần đưa vào vi sinh vật có khả trao đổi chất đặc hiệu chất gây ô nhiễm Đó vi sinh vật tuyển lựa cải biến di truyền Biện pháp vừa nêu gọi tăng cường sinh học(bioaugmentation) Trong trình phục hồi sinh học, vi sinh vật tham gia thu nhận vật chất (cacbon) lượng nhờ phân hủy chất gây ô nhiễm hữu Đôi phân hủy diễn thông qua đồng trao đổi chất (cometabolisms, xem mục…) nhờ nhận điện tử cuối Phục hồi sinh học diễn theo kiểu in situ ex situ (xem mục 12.7) Các đối tượng phục hồi sinh học, môi trường cần phục hồi, thực thể dạng rắn, lỏng khí (như đất rác, nước ngầm nước thải, không khí, theo thứ tự) Các công nghệ phục hồi sinh học có nhiều kỹ thuật phương pháp khác để phù hợp với thực thể môi trường đó, ví dụ: làm đất (landfarming), ủ đống (composting), lọc sinh học (biofiltration) v.v Tất kỹ thuật chia thành hai nhóm, tùy theo việc vật liệu ô nhiễm không bị rời khỏi vùng ô nhiễm để xử lý (xử lý in situ) hay có bị dời để xử lý (xử lý ex situ) (xem mục 12.7) Phục hồi sinh học thường sử dụng để khắc phục cố tràn dầu biển Một ví dụ điển hình việc khắc phục cố tràn dầu Exxon Valdez năm 1989 “Bạn có biết? Bạn nghĩ gì? VI SINH VẬT THAM GIA KHẮC PHỤC ” “SỰ CỐ TRÀN DẦU EXXON VALDEZ” “ Tháng năm 1989, tàu chở dầu Valdez tập đoàn dầu mỏ hàng đầu giới Exxon bị mắc cạn vùng biển Alaska, làm tràn vào nước biển 41,5 triệu lít dầu thô Đó vụ tràn dầu tồi tệ lịch sử Hoa Kỳ, gây tác hại đến hàng trăm kilomet bờ biển, làm chết vô số động vật hoang dã đó.” “ Việc khắc phục cố tiêu tốn tỷ đôla Mỹ, đòi hỏi phối hợp Cơ quan Bảo Môi trường Mỹ (EPA) với Chính quyền bang Alaska tập đoàn Exxon, đòi hỏi tham gia trực tiếp 10.000 công nhân nhiều không tính …vi sinh vật.” “ Các vi sinh vật địa vùng ô nhiễm, có Pseudomonas, chuyển hóa dầu thành sản phẩm cuối không độc CO2 nước Để tăng cường hoạt động vi sinh vật này, người ta bổ sung chất dinh dưỡng chứa nitơ, photpho, nguyên tố vi lượng vào vùng bờ biển ô nhiễm Việc bổ sung dinh dưỡng không tăng cường sinh trưởng vi sinh vật mà tăng cường tốc độ phân hủy dầu làm bờ biển.” “ Tác hại lâu dài vụ tràn dầu tới vùng biển nơi xảy cố 8/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm vấn đề gây tranh cãi Thậm chí 10 năm sau đó, số quần thể động vật thực vật chưa phục hồi hoàn toàn Tuy nhiên, có dấu hiệu phục hồi đáng ngạc nhiên hệ sinh thái Phần lớn vùng trông giống trước xảy cố, phần nhờ phục hồi sinh học vi sinh vật “ăn dầu mỏ” thực hiện.” Phân tích môi quan hệ ba khái niệm phục hồi sinh học, xử lý sinh học phân hủy sinh học Phân tích ý kiến cho “phục hồi sinh học” “xử lý sinh học” chẳng qua hai cách gọi khác trình Phục hồi sinh học có xảy tự nhiên hay không, sao, dẫn chứng ? Phân tích giống khác ba cách hiểu phục hồi sinh học nêu mục 12.3.3 Trình bày cụ thể đến mức có thể, người muốn thực hành phục hồi sinh học cần phải làm công việc ? Tại có trường hợp phục hồi sinh học người ta đưa vi sinh vật môi trường cần phục hồi vào môi trường ấy? Đó loại vi sinh vật ? Vi sinh vật tham gia phục hồi sinh học nhằm mục đích cho chúng ? Nếu trình phục hồi sinh hoc, vi sinh vật phân hủy chất đích người ta khắc phục cách ? Thế phục hồi sinh học in situ ex situ ? Hãy nói hoạt động người vi sinh vật, việc khắc phục cố tràn dầu Exxon Valdez Xử lý in situ ex situ Trong xử lý in situ địa điểm ô nhiễm, môi trường ô nhiễm không đào bới để mang đến trạm xử lý, nhằm tránh làm xáo trộn hoạt động kinh tế, xã hội … nơi đó; đồng thời giảm đáng kể chi phí đào bới vận chuyển vật liệu bị ô nhiễm, chủ yếu đất Điều có nghĩa người ta phải cung cấp chất dinh dưỡng (cũng đồng thời chất cho điện tử) chất nhận điện tử cuối ( thường oxy ) vào sâu môi trường ô nhiễm (ví dụ đất nước ngầm), vi sinh vật sinh trưởng phân hủy chất gây ô nhiễm 9/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Như vậy, khó khăn lớn mặt kỹ thuật xử lý in situ việc cung cấp oxy chất dinh dưỡng vào nơi bị ô nhiễm, thông thường vào lớp sâu đất vào nước ngầm Mô tả kỹ thuật chi tiết việc cung cấp đề cập cụ thể chương sau, phương pháp cụ thể Trái lại, xử lý ex situ, vật liệu bị ô nhiễm cần phải đào bới để mang đến trạm xử lý Việc làm đòi hỏi chi phí đáng kể Bù lại, trạm xử lý, trình xử lý sinh học diễn cách chủ động, có kiểm soát, điều kiện coi tối ưu Bởi thế, xử lý ex situ thường có hiệu cao nhiều đòi hỏi thời gian ngắn so với in situ Các phương pháp xử lý ex situ mô tả cụ thể chương sau Xử lý in situ nói chung phương pháp ưa dùng để phục hồi nước ngầm ô nhiễm đất ô nhiễm không đòi hỏi phải đào bới vứt bỏ vật liệu bị ô nhiễm Trong hầu hết trường hợp, tổng chi phí trình phục hồi thấp đáng kể so với phải đào bới xử lý Trong trường hợp chi phí in situ không khác nhiều so với phương pháp khác, trình lựa chọn phương pháp phải cân nhắc đến nhân tố chi phí, … Tuy nhiên xử lý in situ có nhược điểm so với phương pháp đào bới xử lý bề mặt xử lý bên vứt bỏ, khó khăn việc cung cấp oxy chất dinh dưỡng vào vị trí phản ứng, khó xác định phạm vi vùng xử lý, tốc độ xử lý tương đối chậm, xu lan rộng vùng ô nhiễm Xử lý in situ thủy vực ô nhiễm tiến hành khác với xử lý đất vùng ô nhiễm không bão hòa, thủy vực nồng độ oxy vận chuyển oxy khác Độ hòa tan oxy nước thấp phụ thuộc vào cân với nồng độ oxy cân 8mg/l hầu hết túi nước ngầm nông có nồng độ oxy hòa tan từ đến 7mg/l Phân hủy sinh học hiếu phương pháp chủ yếu để thực phục hồi sinh học, nồng độ oxy thấp thủy vực cản trở nhiều tốc độ phạm vi trình xử lý, trừ oxy chất nhận điện tử khác đưa vào liên tục Còn chất dinh dưỡng, chúng thường có mặt so với nồng độ tỷ lượng đòi hỏi, thủy vực đất vùng không bão hòa Trong số chất dinh dưỡng nitơ có ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng vi sinh vật khả phân hủy chất hữu chúng Tuy nhiên, độ hòa tan nitơ, NH4+và NO3-, nước cao, người ta đưa chất vào nước với nồng độ cao mà không gây ức chế sinh trưởng hô hấp vi sinh vật Ngoài ra, nitrat đưa vào để vi sinh vật dùng chất nhận điện tử dùng làm chất dinh dưỡng Vì vi sinh vật đất có khả hô hấp nitrat nên phổ chất gây ô nhiễm bị phân hủy nhờ hô hấp nitrat hẹp nhiều so với trường hợp oxy Hơn nữa, số phản ứng (ví dụ phân hủy chất thơm xúc tác từ enzym oxygenaza) xảy oxy phân tử 10/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm bồn chứa ngầm chứa sản phẩm tự do, điều khác với vùng ô nhiễm rò rỉ từ ao chứa chất thải - Sự thấm từ ao chứa chất thải Giống trường hợp bồn chứa ngầm, ao chứa chất thải xuất vết rò rỉ nhỏ lớp lót Trước năm 1970, người ta kiểm soát thiết kế vận hành ao chứa chất thải Các ao thường xây dựng lớp lót, nhiều chất lỏng lắng xuống nhanh chóng thấm vào đất Những luật lệ hành có quy định tiêu chuẩn cho lớp lót, khoảng cách tới tầng nước ngầm, việc theo dõi rò rỉ Tuy nhiên hàng ngàn ao cũ thiết kế không tốt theo dõi rò rỉ tồn Những vùng ô nhiễm hình chùm lông rò rỉ từ ao chứa chất thải thường chứa nước có hỗn hợp chất gây ô nhiễm - Sự thấm từ bãi rác Các bãi rác gây ô nhiễm đất nước ngầm bên thấm lọc (leaching) Các chất lỏng tích tụ đáy bãi rác di chuyển xuyên qua lớp lót Những vùng ô nhiễm hình chùm lông bão hòa không bão hòa, có xu lan xuống phía lan theo khe hở sẵn có Sơ đồ vùng ô nhiễm hình thành rò rỉ, thấm từ bồn chứa ngầm, ao chứa chất thải 14/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sơ đồ vùng ô nhiễm đất nước ngầm hình thành thấm từ bãi chôn lấp rác Ví dụ: Tốc độ rò rỉ từ bồn chứa ngầm Một bồn chứa xăng (tỷ trọng 0,8) bị ăn mòn mà bị thủng lỗ với đường kính 0,5 mm gần chỗ bơm lên Bồn chứa có đường kính 2m, chiều dài 4m, ngày người ta bơm trung bình 1500L từ bồn Hãy tính: (a) tốc độ rò rỉ từ bồn theo độ sâu xăng bể, (b) thể tích, (c) tỷ lệ rò rỉ bồn đầy xăng Bài giải a Tính tốc độ rò rỉ π qL = AhVh = d2CD(2gz) Trong qL= tốc độ rò rỉ tính theo thể tích, m3/giây Ah = diện tích lỗ, m2 Vh= tốc độ chảy qua lỗ, m/giây d = đường kính lỗ, m CD= hệ số giảm lượng chứa 0,8 g = gia tốc trọng trường = 9,8 m/giây2 z = độ sâu xăng bể, m Như vậy, qL = π (5 × 10 − 4) (0,8)[2(9,8)]0,5z0,5 = 6,96 × 10 − 7z0,5m3 / giây b Tính thể tích xăng bị rò rỉ từ bồn xăng đầy 15/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Trước hết viết cân khối lượng cho bồn xăng, với giả sử vùng không bão hoà đất có áp suất áp suất khí ( dV dt ρkhí = m3 m3 = − ρkhí( QP+qL ) = − ρkhí 1,5 ngày + 6,96 × 10 − 7z0.5 giây ) Trong ρkhí= mật độ khối khí, kg/m3 QP = tốc độ bơm dV dt m3 m3 = − 1,74 × 10 − giây − 6,96 × 10 − 7z0,5 giây Thể tích trống bồn thời điểm tính dễ dàng số học, dựa vào kiện thủy lực học cho đây, với giả thiết tốc độ bơm không đổi V=L z= D D2 πθ 180 ( ) − sinθ (V:thể tích trống) (1 + cos 2θ ) Từ tính thể tích xăng bị rò rỉ theo thời gian từ bể xăng đầy, bảng Thời gian,ngày z,m Thể tích rò rỉ,m3 Thể tích bơm,m3 Thể tích lại,m3 0,00 2,0 0,00 0,00 12.56 0,41 1,8 0,03 0,62 11.91 1,13 1,6 0,09 1,7 10,78 2,01 1,4 0,15 3,02 9,40 2,98 1,2 0,22 4,47 7,87 3,99 1,0 0,29 6,00 6,28 5,01 0,8 0,34 7,53 4,69 5,99 0,6 0,39 9,00 3,17 6,88 0,4 0,43 10,35 1,79 7,62 0,2 0,45 11,46 0,65 8,05 0,0 0,46 12,10 0,00 16/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm c Tính tỷ lệ thất thoát rò rỉ, theo thể tích VL = 0,46 m3 Tỉ lệ rò rỉ = 0,46m3 2,56m3 = 0,037 Như vậy, tỷ lệ rò rỉ cao Nếu giá xăng (năm 2007) khoảng 12.000 đồng lít thiệt hại bồn xăng khoảng 5.520.000 đồng, sau năm thiệt hại lên đến khoảng 250.285.000 đồng Đây thiệt hại bồn xăng có lỗ rò rỉ gây ra, hàng trăm bồn khắp thành phố hay nước gây Tuy nhiên cần nhấn mạnh thiệt hại nhỏ so với phí tổn để xử lý môi trường đất nước ngầm ô nhiễm rò rỉ Ngoài cần lưu ý tổn thất khó phát theo dõi cẩn thận - Hai nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng cho đất nước ngầm làm tràn thải bỏ không cách chất độc Ví dụ, cố lúc vận chuyển hóa chất làm tràn lượng lớn sản phẩm tinh khiết vào vùng đất nhỏ hẹp Nếu hóa chất tồn đọng không xử lý chúng thấm vào đất cuối gây ô nhiễm nước ngầm nơi xảy cố Sự thải bỏ không cách chất độc thường xảy nhà sở thương mại, nguyên nhân gây ô nhiễm đất nước ngầm Ví dụ người ta thường thải bỏ dầu thải dung môi để rửa động xe cộ từ gara, thải hóa chất nông nghiệp thừa trang trại, thải sơn chất rửa sơn vào đất, đốt chất Các xưởng sản xuất vùng nông thôn thường thải bỏ phế thải vào nơi “khuất nẻo”, gây ô nhiễm nặng cho đất nước ngầm Một vài trường hợp điển hình thải bỏ tùy tiện gây hậu nghiêm trọng nhắc đến, như: - Tại cộng đồng nhỏ có tên Lathrop, California, Mỹ, chất tráng rửa bồn chứa xưởng sản xuất chất hun khói cho đất, dibromocloropropan (DBCP), thải vào cánh đồng phía sau xưởng Nồng độ chất nước ngầm đạt tới 1700 mg/L phát sau biết chất gây vô sinh nam giới gây ung thư - Tại Times Beach, Missouri, Mỹ, hỗn hợp chất thải hóa học dầu hộp trục khuỷu bị lạm dụng để phun đường khoảnh đất trần (không lát) để hạn chế bụi Hậu số động vật bị chết, sau người ta phát nồng độ cao tetraclorodibenzo(p) dioxin (TCDD, đất Người ta khắc phục cách bóc bỏ lớp đất dầy 15cm cuối cộng đồng dân cư buộc phải di dời nơi khác 17/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Nhận thức xã hội hiểm họa ô nhiễm môi trường vai trò phục hồi sinh học Từ đầu kỷ 20, nhà khoa học môi trường kỹ sư môi trường không quan tâm tới việc cung cấp nước sạch, an toàn đạt tiêu chuẩn thẩm mỹ, quan tâm tới việc xử lý nước thải để bảo vệ sức khỏe người; họ quan tâm tới việc cải thiện môi trường nước môi trường không khí, gần nhất, họ quan tâm tới phục hồi đất ô nhiễm nước ngầm ô nhiễm, khụng khớ ụ nhiễm Ba chủ đề đề cập chương 17-20 Bảo vệ môi trường phục hồi môi trường ô nhiễm trở thành mối quan tâm xã hội từ sau sách Silence Spring Rachel Carson xuất năm 1962 Cũng kể từ giới kỹ thuật quan tâm nhiều đến tác động khác sinh thái học việc thải bỏ chất thải, vấn đề truyền bệnh tật qua nước, tính mỹ quan nước tượng “nở hoa” tảo, chết cá hàng loạt, trôi rác, tác động nghiêm trọng đến ngư trường nghề cá Kể từ năm 1962, người giáo dục tốt tác động sâu sắc tới thể sống chúng tiếp xúc lâu dài với chất độc môi trường, tầm quan trọng việc bảo tồn đa dạng nguồn gen, tác động tiềm ẩn quy mô toàn cầu môi trường bị làm hỏng, vùng tương đối nhỏ hẹp Cũng từ đến nhiều nỗ lực bỏ nhằm nâng cao nhận thức công chúng ý thức bảo vệ môi trường Những sách quý The Diversity of life Wilson (1992) viết theo cách thức phong thái để dành cho người không chuyên Phát cạn kiệt ozon tầng bình lưu phát tán cloro flurocacbon gây thảo luận rộng rãi gay gắt lúc ban đầu, dẫn đến việc xây dựng nhiều luật lệ môi trường, dẫn đến ký kết nhiều hiệp định quốc tế đời chương trình nghiên cứu rộng lớn môi trường Cũng thời kỳ tìm thấy nhiều địa điểm mà hóa chất bị rò rỉ, bị lắng đọng, bị vứt bỏ, bừa bãi vô tình, vào đất gây ô nhiễm nước ngầm làm cho nhiều vùng đất rộng lớn không sử dụng nguy hiểm người dạng sống khác Sự ô nhiễm đất nước ngầm quy mô lớn hậu trực tiếp phát triển xã hội công nghiệp đại Hầu lĩnh vực đời sống đại sinh chất thải Nền sản xuất đòi hỏi phải khai thác chế biến tài nguyên thiên nhiênkhoáng sản, lâm sản, dầu mỏ, đương nhiên thải lượng lớn chất thải Cho đến tận gần nhiều nước phát triển người ta vứt bỏ phế thải khai mỏ phế thải sau thu hoạch nơi sản xuất thải vào sông hồ Lý chủ yếu khiến nhà sản xuất vứt bỏ phế thải chi phí tốn cho việc xử lý chúng Cho tới tình trạng trở nên chịu đựng quy tắc luật lệ môi trường đời 18/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Kể từ đầu kỷ 20 đến nay, việc sản xuất hóa chất hữu tăng lên mạnh mẽ Tuy nhiên điều đáng ý có thay đổi chủng loại hóa chất sản xuất cách dùng chúng Ở đầu kỷ 20, hóa chất dùng nông nghiệp chủ yếu sản xuất từ chất thải động vật, tàn dư thực vật, chất vô Ngày nay, hàng loạt sản phẩm điều chế từ dầu mỏ dùng làm thuốc diệt sinh vật có hại (pesticides) thuốc diệt cỏ (herbicides) Nhiều chất số đó, sau thời gian dài sử dụng rộng rãi khắp giới biết độc sống hoang dã cá (ví dụ DDT), độc động vật có vú (ví dụ pesticide có gốc photphat, parathion), gây ung thư (ví dụ chất halogen hóa, biphenyl polyclo hóa mức cao dibromocloropropan) Việc dùng hóa chất để diệt trừ loại sâu hại làm rối loạn cân quần thể dẫn đến tăng không mong muốn loài khác Các sản phẩm từ dầu mỏ xưa dùng chủ yếu làm nhiên liệu Tuy nhiên, hàng loạt hóa chất điều chế từ dầu mỏ dùng xã hội đại nhiều đến mức choáng ngợp: chất dẻo, dược phẩm, pesticide, thuốc diệt cỏ, chất tẩy rửa Vấn đề ô nhiễm đất nước ngầm khắp nơi giới chắn rò rỉ từ bể ngầm chứa nhiên liệu Cục Bảo vệ Môi trường (EPA) Mỹ xác định có 200.000 địa điểm có bể ngầm rò rỉ Mỹ Gần phổ biến, việc nhiễm dầu động vào đất cố trình vận chuyển dầu mỏ Khi dầu chảy tràn từ bể chứa bị hỏng gây nên hư hại sinh thái học khắp nơi giới Những lượng lớn thuốc trừ sâu chất diệt cỏ dùng quy mô thương mại quy mô nhỏ nơi Sự vứt bỏ dụng cụ chứa chúng vấn đề nghiêm trọng, dụng cụ chứa nhỏ (bình, chai, lọ) dùng nhà vườn Hầu hết bình chứa vứt bỏ vào bãi rác công cộng vào lò thiêu đốt chúng giải phóng chất độc vào môi trường cách kiểm soát Việc thải bỏ hóa chất công nghiệp vào bãi chôn lấp rác trở thành vấn đề có tính quốc gia, Mỹ kiện khu vực bãi rác Love Canal, vùng Niagara, New York, gây dư luận ồn năm 1970 đó, số trường hợp sẩy thai sinh đẻ không bình thường cao so với vùng khác Kể từ bắt đầu giai đoạn nhận thức môi trường Việc phục hồi đất ô nhiễm nước ngầm ô nhiễm trở thành ngành công nghiệp hoạt động toàn giới Các vấn đề ô nhiễm đất nước ngầm phân loại bảng 1.2 Đất ô nhiễm nước ngầm ô nhiễm phục hồi nhiều biện pháp vật lý, hóa học sinh học Trong phục hồi sinh học, chất vô và/ hữu loại bỏ khỏi đất nước ngầm thông qua hoạt động vi sinh vật Các chất đích cho phục hồi sinh học bao gồm nhiều chất hữu cơ, kim loại nặng, thủy ngân, ion độc tiềm ẩn cyanid (CN-) nitrat () Nhiều chất gây ô nhiễm lắng đọng đất nước ngầm bị chuyển hóa sang trạng thái không gây ô nhiễm, điều kiện bình thường nơi Ví dụ, chai nước cam bị đổ mặt đất, 19/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm hợp phần hữu bị phân hủy thời gian tương đối ngắn nhờ vi khuẩn sống tự nhiên đất Thời gian phân hủy hết chất tùy thuộc vào tính chất đất, nhiệt độ có mặt chất dinh dưỡng cần cho sinh trưởng vi sinh vật, chất hữu nước cam bị vi sinh vật phân hủy đến trạng thái oxy hóa thấp chúng Trái lại, với chất chưa chắn bị phân hủy cách tự nhiên trên, bị phân hủy lâu cần áp dụng phục hồi sinh học Đó thường trường hợp chất nhân tạo chất lạ sinh học (xenobiotics) Phân loại ô nhiễm đất nước ngầm Tính Nhóm chất gõy ụ Các địa điểm ô nhiễm điển hình linh nhiễm động Các hóa chất công nghiệp Hiệu ứng gây độc Xưởng sản xuất, máy phân phối Nói - Các bệnh hệ hóa chất, đồng ruộng, máy phun chung thần kinh.- Ung thư hóa chất thấp Trạm bơm xăng, quân sự, sở lọc dầu Thấp đến trung bình Sơn Bãi rác Trung - Ngộ độc kim loạibình Hư hỏng hệ thần kinhđến cao Ung thư Dung môi Xưởng điện tử, gara, quân Trung - Sinh ung thư- Tổn bình thương thần kinh đến cao Các hydrocacbon đa vòng thơm (PAHs) Nơi sản xuất khí than Thấp đến trung bình Một số PAH sinh ung thư bị nghi Các biphenyl poly clo hóa (PCBs) Máy biến áp điện Thấp Ung thư Các dioxin Xưởng hóa chất, khói từ xe cộ, nơi đốt chất thải Thấp Sinh khối u Xăng diesel Sinh ung thư Trong năm gần đây, hệ thống xử lý sinh học áp dụng để loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi môi trường, đất, nước, khí 20/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Thực tiễn phục hồi sinh học Phục hồi sinh học cú bề dày tiến hóa, phát triển từ quản lý xử lý nước thải đô thị nước thải công nghiệp quản lý xử lý chất thải rắn Việc thải bỏ đất nước thải vào nơi xử lý chất thải (sewage farms), vốn bắt đầu vào cuối kỷ 19, có bao hàm việc sử dụng vi khuẩn đất trình giải độc hay khử nhiễm (decontamination) Sau vào nửa đầu kỷ 20 đời nhiều phương pháp tinh vi đại để xử lý chất gây ô nhiễm, lọc chảy giọt (trickling filters), bùn hoạt tính (activated sludge), lên men kỵ khí (anaerobic fermentation) Sau nữa, kể từ năm 1960, trình xử lý sinh học bao gồm thêm phương pháp để xử lý đất trình phân hủy sinh học chất đặc biệt Việc xử lý nước thải xử lý chất thải vào đất phát triển dần thành xử lý đất ô nhiễm nước ngầm ô nhiễm, nghĩa thành phục hồi sinh học (bioremediation) Trong năm gần đây, hầu hết công trình nghiên cứu công bố thuộc lĩnh vực xử lý đất ô nhiễm sản phẩm dầu mỏ Điều hai nguyên nhân: là, hầu hết hydrocacbon dầu mỏ dễ bị phân hủy, đất ô nhiễm chúng dễ phục hồi sinh học; hai là, có nhiều địa điểm bị ô nhiễm hydrocacbon dầu mỏ rò rỉ bồn chứa ngầm Trong bốn mươi năm gần đây, phục hồi sinh học áp dụng thành công để xử lý đất ô nhiễm dầu mỏ Một bước phát triển phục hồi sinh học, năm gần đây, ngày biện pháp quan trọng để quản lý chất thải nguy hại Phục hồi sinh học giải pháp quan trọng để xử lý nhóm chất thải nguy hại sau đây: - Các chất clo hóa, tricloroetylen số biphenyl clo hóa mức cao (polychlorinated biphenyls, PCBs) Những chất trước coi khó bị phân hủy xem bị phân hủy sinh học, chí điều kiện phòng thí nghiệm - Các chất đối tượng phục hồi sinh học bao gồm: • Các dung môi: axeton rượu • Các chất thơm: BTEX (tên chung để bốn nhóm chất gồm benzen, toluen, etylbenzen, xylen), hydrocacbon thơm đa vòng (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs), clorobenzen • Các nitro clorophenol • Các pesticide Những chất gây ô nhiễm nguy hại thường gặp đất nước ngầm hydrocacbon thơm BTEX, bắt nguồn từ tràn dầu rò rỉ bồn chứa, hydrocacbon béo clo hóa tetrecloroetylen percloroetylen (PCE), tricloroetylen 21/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm (TCE), 1,1,1- tricloroetan Những chất dùng công nghiệp để khử mỡ (tẩy nhờn) Cần nhấn mạnh phục hồi sinh học lĩnh vực trẻ công nghệ, để có nhận thức đọc tài liệu có liên quan: nay, nhiều công trình phục hồi sinh học thực nghiệm tài liệu công bố tập trung vào việc thử nghiệm khả áp dụng phương pháp phục håi sinh häc vµo nh÷ng nơi cụ thể điều kiện đó, với chất gây ô nhiễm cụ thể Hầu hết tài liệu công bố dẫn trường hợp phục hồi sinh học thành công, trường hợp không thành công dẫn Ngoài ra, thành công phục hồi sinh học thường đánh giá qua giảm nồng độ chất gây ô nhiễm đất nước ngầm Tiêu chí tỏ thuyết phục, phục hồi sinh học loại bỏ chất gây ô nhiễm mức cao mà không đạt mục tiêu làm Đồng thời chất gây ô nhiễm bị vận chuyển khỏi đất nước, bị chuyển hóa cách không sinh học, thông qua trình khác, bay di động, quang oxy hóa Trong trường hợp chưa đạt mục đích phục hồi sinh học giải độc làm bất động chất gây ô nhiễm Như vậy, trình phục hồi sinh học có kết phải bao gồm yếu tố sau đây: - Có phương tiện để kiểm soát di chuyển chất gây ô nhiễm, ví dụ lớp che phủ để thu gom chất bay hơi, giếng quan trắc để phát di chuyển chất gây ô nhiễm - Có chứng phân hủy sinh học xảy ra: • • • • Sự tăng hoạt tính sinh học Sự tăng lượng CO2 giải phóng Sự tăng lượng oxy tiêu dùng Sự có mặt sản phẩm trao đổi chất Xử lý đất theo kiểu ex situ Làm đất (Landfarming) Kỹ thuật bao gồm thông khí đảo trộn đất ô nhiễm, bổ sung chất dinh dưỡng (và vi sinh vật nữa), khống chế độ ẩm cách tưới nước định kỳ Một vài nét đặc trưng kỹ thuật sau: 22/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm - Trong hầu hết trường hợp làm đất, đất ô nhiễm đào bới lên xử lý nơi mà di chuyển chất gây ô nhiễm khống chế, nhờ hàng rào chống thấm (bằng đất sét nén lót chất dẻo) - Trong số trường hợp khác, vùng đất ô nhiễm đủ rộng đến mức không cần thủ tục đào bới đất, cần xử lý nguyên vị (in situ) - Các trình phân hủy diễn kỹ thuật làm đất nói chung phân hủy sinh học Tuy nhiên xảy trình phân hủy không sinh học oxy hóa quang hóa học chẳng hạn - Sự lan truyền chất gây ô nhiễm vào khí bay thường nhược điểm hạn chế việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật b) ủ đống trộn (Composting) Theo kỹ thuật này, vật liệu bị ô nhiễm trộn với chất độn, phân chuồng chẳng hạn, tạo thành đống đụn; chúng tưới nước định kỳ đảo xới học đặn thường xuyên không đảo xới Các chất độn có tác dụng làm tăng tính xốp để không khí dễ vào, lượng giải phóng phân hủy chất hữu làm tăng nhiệt độ đống ủ Các đống ủ tĩnh dạng đống ủ có đưa vào chất độn, chất dinh dưỡng nước Tuy nhiên đống không đảo xới, nhiệt độ bên thường gần nhiệt độ bên Chúng thông khí cách thụ động (do chênh lệch nhiệt độ không khí bên đống ủ không khí bên lỗ), thông khí cưỡng cách tạo chân không tạo dòng hút không khí qua đống ủ nêu hình 1.4 Các chất độn hay dùng phân chuồng, cung cấp quần thể vi sinh vật phong phú so với đất cung cấp chất dinh dưỡng vô cơ; loại chất độn khác vật liệu tương đối trơ mùn cưa, vỏ bào compost Nước đưa vào định kỳ, cần thiết để trì quẩn thể vi sinh vật 23/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sơ đồ trình phục hồi sinh học đống ủ tĩnh Đất ô nhiễm trộn với chất độn chứa chất hữu phân chuồng chẳng hạn đặt lên lớp sỏi vật liệu thô khác làm giá đỡ Không khí hút từ xuống xuyên qua đống ủ cách tạo chân không Nếu cần phải thêm nước cách định kỳ để trì độ ẩm c) Xử lý đất dạng bùn nồi phản ứng sinh học ( bioreactors ) Xử lý nồi phản ứng sinh học kỹ thuật xử lý pha bùn, theo đất ô nhiễm trộn với đủ nước đặt nồi chứa, để khuấy trộn liên tục Nếu cần oxy đưa vào Thường phải khống chế dòng khí để ngăn ngừa thất thoát chất hữu bay tượng giải hấp (stripping) Các biện pháp khống chế dòng khí bao gồm: - Cho tái tuần hoàn dòng khí - Sử dụng khí cho trình đốt cháy - Làm khí vi sinh vật (sự lọc sinh học, biofiltration) Đây xu 24/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Xử lý khí nhờ vi sinh vật Quá trình thực cách cho không khí ô nhiễm qua tầng lọc xốp gọi lọc sinh học (biofilters) lọc sinh học chảy giọt (biotricling filters) Các tầng lọc tầng vật liệu nhồi, thường hỗn hợp compost với vật liệu trơ, viên gốm xốp làm từ đất khuê tảo hay thủy tinh xốp Cộng đồng vi sinh vật sinh trưởng bám dính vào bề mặt vật liệu nhồi Màng chất lỏng cần thiết phải có cung cấp cách trì dòng không khí bão hòa nước, cách bơm sol khí xuyên qua tầng lọc, cách đưa dòng nước vào tầng lọc Các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng vi sinh vật đưa vào cách định kỳ, đưa vào với sol khí hay với chất lỏng tái tuần hoàn, tùy theo hệ thống xử lý khí Sơ đồ hệ thống làm khí nhờ vi sinh vật nêu hình 12.5 Sơ đồ hệ thống làm khí nhờ vi sinh vật Quá trình xử lý khí nhờ vi sinh vật ứng dụng để loại bỏ chất hữu bay có dòng khí từ trình phục hồi sinh học, dòng khí từ trình phục hồi không sinh học, dòng khí sinh xử lý nước thải hoạt động công nghiệp [11] Xử lý sinh học dòng khí có hiệu kinh tế cao so với trình xử lý khác đốt cháy hấp phụ than hoạt tính Tuy nhiên, trình dùng 25/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm gặp số khó khăn vận hành, phải xử lý hỗn hợp chất gây ô nhiễm, nồng độ chất gây ô nhiễm thay đổi mạnh thời gian ngắn, xử lý có tạo thành axit, HCl H2SO4 Sự lan tỏa chất hữu bay từ địa điểm xử lý Quá trình phục hồi sinh học thường kèm theo lan tỏa chất hữu bay (volatile organic compounds, VOCs) Sự lan tỏa xảy nạp nguyên liệu vào nồi phản ứng sinh học, trình phục hồi sinh học diễn ra, kết hình thành chất bay địa điểm xử lý Trong hệ thống xử lý đất hệ thống làm đất hệ thống đống ủ tĩnh, chất bay phát tán lúc xây dựng đống ủ lúc trộn đất ô nhiễm với chất độn Còn trình xử lý pha bùn VOCs phát tán khuấy trộn thông khí Sự sản sinh VOC, để chúng phát tán, xảy phân hủy hợp chất ban đầu, điều kiện kỵ khí cục bộ, bay đất đảo xới khuấy trộn Có thể phân biệt hai trường hợp hình thành VOC phân hủy chất ban đầu: - Sự hình thành VOC từ chất không bau trình phân hủy sinh học nguyên tắc xảy ra, có ý nghĩa thực tiễn [9], trình hiếu khí - Sự phân hủy nhờ vi sinh vật VOC thành chất dễ bay (ví dụ tricloeten thành vinyl clorua) xảy điều kiện kỵ khí, phá vỡ liên kết khử, quan sát thấy Vinyl clorua hợp phần phổ biến dòng khí thoát từ bãi chôn lấp rác hợp vệ sinh bể phân hủy kỵ khí bùn, nguồn gốc dung môi clo hóa [9] Hầu hết trình phục hồi sinh học thiết kế để vận hành theo kiểu hiếu khí, lan tỏa VOC giới hạn vào hợp chất nhận biết địa điểm xử lý Như đề cập đây, chất dễ bị vi sinh vật đất phân hủy nói chung chuyển hóa dễ dàng nhờ kỹ thuật phục hồi sinh học Ví dụ, rượu đơn giản etanol, metanol, propanol, thuộc nhóm VOC dễ bị oxy hóa sinh học Sự phân hủy sinh học thường đồng thời xảy có tính cạnh tranh với hấp phụ bay Hình 1.6 cho thấy VOC hấp phụ vào hạt đất có 26/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm thể bị bay bị phân hủy sinh học Sự phát tán xảy từ đất bị ô nhiễm chất dễ vi sinh vật sử dụng (phân hủy) Các chế loại bỏ VOC hòa tan nước liên kết đất Sự hấp phụ vào đất tượng cuối cùng, cân với giải hấp phụ vào nước từ bay vào không khí Ưu điểm nhược điểm phục hồi sinh học So với trình vật lý hóa học dùng để xử lý đất ô nhiễm nước ô nhiễm, phục hồi sinh học có số ưu điểm: - Giá thành rẻ hơn: để làm phục hồi sinh học, thường tốn từ 100 đến 250 đôla cho mét khối, so với 250 đến 1000 đôla dùng công nghệ khác thiêu đốt chôn lấp cách an toàn [5] - Mục đích triệt để hơn: phân hủy sinh học giải độc tức làm độc tính chất gây ô nhiễm nguy hại), đơn giản chuyển chất gây ô nhiễm sang môi trường khác nơi khác thực công nghệ khác bao gồm thông khí, hấp phụ than hoạt tính, hóa rắn (solidification) / ổn định (Stabilization), rửa đất chôn lấp cách an toàn - Công nghệ tương đối đơn giản so với hầu hết công nghệ khác - Riêng phục hồi sinh học in situ tiến hành mà gây xáo trộn cho địa điểm xử lý, gây phát tán chất bay nhất, gây nguy cho sức khỏe người nơi xử lý vùng phụ cận 27/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Tuy vậy, phục hồi sinh học thể nhiều nhược điểm - Những nhược điểm mang “tính chất kỹ thuật” phục hồi sinh học đề cập tới bắt nguồn từ đặc điểm “mang tính sinh học” phục hồi sinh học, đặc điểm thể sống nói chung, vi sinh vật nói riêng: nhạy cảm với nhân tố môi trường Nói cách khác, phục hồi sinh học (và xử lý sinh học) chịu ảnh hưởng đáng kể thay đổi điều kiện (các nhân tố) môi trường (nhiệt độ, PH, Oxy (Hoặc chất nhận điện tử cuối khác), độ ẩm, khả cung cấp chất dinh dưỡng (Trong cí chất gây ô nhiễm xử lý) cho vi sinh vật ) Từ thấy nhược điểm sau phục hồi sinh học: - Những nhược điểm quan trọng khó dự đoán hiệu suất trình khó áp dụng kết thu từ thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm quy mô pilot vào quy mô thực địa Kết công trình phục hồi sinh học phụ thuộc vào khả người điều hành việc tạo trì điều kiện môi trường cần thiết cho sinh trưởng vi sinh vật Các vi sinh vật nhạy cảm với yếu tố môi trường nhiệt độ, pH, tính độc chất gây ô nhiễm, nồng độ chất gây ô nhiễm, độ ẩm, nồng độ chất dinh dưỡng, nồng độ oxy Một giảm hoạt tính vi sinh vật làm chậm phân hủy kéo dài thời gian xử lý Nếu hoạt động vi sinh vật ngừng lại (ví dụ tạo thành chất trao đổi độc) khởi động lại trình khó khăn - Đôi phục hồi sinh học đạt mục đích làm môi trường ô nhiễm, số chất gây ô nhiễm không bị phân hủy sinh học bị phân hủy sinh học phần, nhờ vi sinh vật không loại bỏ chất gây ô nhiễm đến mức cần thiết - Khi nồng độ chất gây ô nhiễm giảm phân hủy sinh học chậm lại, vi sinh vật chuyển sang sử dụng nguồn lượng khác ngừng sinh trưởng hoàn toàn Trong trường hợp vậy, riêng phục hồi sinh học không đủ để xử lý địa điểm ô nhiễm phải áp dụng thêm công nghệ xử lý khác - Cuối cùng, phục hồi sinh học đòi hỏi nhiều thời gian Thời gian cần thiết để xử lý địa điểm ô nhiễm thường phụ thuộc vào tốc độ phân hủy chất gây ô nhiễm 28/28 [...]... phải di dời đi nơi khác 17/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Nhận thức của xã hội về hiểm họa của ô nhiễm môi trường và về vai trò của phục hồi sinh học Từ đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học môi trường và các kỹ sư môi trường không chỉ quan tâm tới việc cung cấp nước sạch, an toàn và đạt các tiêu chuẩn thẩm mỹ, cũng như quan tâm tới việc xử lý nước thải để bảo vệ sức khỏe... không sinh học, và trong dòng khí sinh ra do xử lý nước thải và do các hoạt động công nghiệp [11] Xử lý sinh học các dòng khí có hiệu quả kinh tế cao so với các quá trình xử lý khác như đốt cháy hoặc hấp phụ trên than hoạt tính Tuy nhiên, các quá trình đang được dùng hiện 25/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm nay gặp một số khó khăn trong vận hành, nhất là khi phải xử lý. .. các quá trình đốt cháy - Làm sạch khí ra bằng vi sinh vật (sự lọc sinh học, biofiltration) Đây là một xu thế mới 24/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Xử lý khí nhờ vi sinh vật Quá trình này được thực hiện bằng cách cho không khí ô nhiễm đi qua những tầng lọc xốp được gọi là các lọc sinh học (biofilters) hoặc các lọc sinh học chảy giọt (biotricling filters) Các tầng lọc... khí và đảo trộn đất ô nhiễm, bổ sung các chất dinh dưỡng (và đôi khi cả vi sinh vật nữa), khống chế độ ẩm bằng cách tưới nước định kỳ Một vài nét đặc trưng của kỹ thuật này như sau: 22/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm - Trong hầu hết trường hợp làm đất, các đất ô nhiễm được đào bới lên và được xử lý tại một nơi mà sự di chuyển của các chất gây ô nhiễm có thể được khống... trình có thể là rất khó khăn - Đôi khi bằng phục hồi sinh học không thể đạt được mục đích làm sạch môi trường ô nhiễm, vì một số chất gây ô nhiễm không bị phân hủy sinh học hoặc chỉ bị phân hủy sinh học một phần, hoặc vì nhờ vi sinh vật có thể không loại bỏ được chất gây ô nhiễm đến mức cần thiết - Khi nồng độ chất gây ô nhiễm giảm thì sự phân hủy sinh học chậm lại, và vi sinh vật có thể chuyển sang sử... xử lý, ít gây phát tán các chất bay hơi nhất, và ít gây nguy cơ nhất cho sức khỏe con người tại nơi xử lý và vùng phụ cận 27/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Tuy vậy, phục hồi sinh học cũng thể hiện nhiều nhược điểm - Những nhược điểm mang “tính chất kỹ thuật” của phục hồi sinh học được đề cập tới dưới đây đều bắt nguồn từ đặc điểm “mang tính sinh học của phục hồi sinh. .. phòng thí nghiệm Trái lại, chúng thường sống thành những tập đoàn nhầy, được gọi là màng sinh 11/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm học – tại đó chúng chia sẻ chất dinh dưỡng Sự tạo thành một màng sinh học bắt đầu khi một vi khuẩn bơi tự do bám vào một bề mặt Nếu những vi khuẩn này sinh trưởng thành một lớp dầy thì chất dinh dưỡng không thể đi tới những vị trí sâu hơn bên.. .Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sự đồng trao đổi chất Thông thường, khi vi sinh vật chuyển hoá một chất hữu cơ thì chúng sử dụng chất đó làm nguồn cacbon hoặc nguồn năng lượng Tuy nhiên có những trường hợp vi sinh vật chuyển ho một số chất hữu cơ nào đó nhưng không có khả năng sử dụng chất đó làm cơ chất cho sinh trưởng hoặc làm nguồn năng lượng Khi ấy vi sinh vật... vô cơ; loại chất độn khác là các vật liệu tương đối trơ như mùn cưa, vỏ bào hoặc compost Nước được đưa vào định kỳ, cần thiết để duy trì quẩn thể vi sinh vật 23/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Sơ đồ một quá trình phục hồi sinh học bằng đống ủ tĩnh Đất ô nhiễm được trộn với một chất độn chứa chất hữu cơ như phân chuồng chẳng hạn và được đặt lên trên một lớp sỏi hoặc một. .. khuẩn riêng lẻ tạo nhầy hoặc các vi khuẩn trong đám nhầy tách khỏi màng sinh học và di chuyển đến nơi khác Màng sinh học gồm các vi khuẩn đang sinh trưởng bên trong các ống của một hệ thống làm lạnh 12/28 Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm Cũng giống như ở động vật có các mô khác nhau, bên trong màng sinh học có những nhóm tế bào chuyên hóa và chúng hoạt động phối hợp nhau để ... hồi sinh học xử lý sinh học Nói hơn, phục hồi sinh học dựa sở xử lý sinh học, tứ dựa sở phân hủy sinh học Có số cách hiểu phục hồi sinh học: 6/28 Một số khái niệm xử lý sinh học môi trường ô nhiễm. .. xử lý sinh học Vì xử lý sinh học phải dựa tiền đề sở phân hủy sinh học Xử lý sinh học gì? Phục hồi sinh học Như đề cập, thực chất xử lý môi trường xử lý chất gây ô nhiễm môi trường bị ô nhiễm ... chất xử lý sinh học môi trường xử lý sinh học chất gây ô nhiễm môi trường Trái lại, nói đến “phục hồi sinh học môi trường ô nhiễm muốn nói đến tác động vào môi trường ô nhiễm ấy, thông qua