1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Bài giảng môn Công nghệ sinh học môi trường: Chương 4 - TS. Lê Quốc Tuấn

54 2 0
Tài liệu được quét OCR, nội dung có thể không chính xác
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Nội dung

Trang 1

CHƯƠNG 4

Xử lý sinh họcchất thải

Trang 2

Giới thiệu chung

™Chất gây ô nhiễm mơi trường có nguồn gốc khác

nhau.

™Có thể tìm thấy ở các môi trường: biển, cửa sông, hồ,

đất.

™Việc loại thải các chất gây ô nhiễm từ những vùng đã

bị ô nhiễm được gọi là “Sửa chữa sinh học”(Bioremediation).

™Sửa chữa sinh học được thực hiện bởi các vi sinh vật

và hoạt động của chúng.

™Việc sửa chữa sinh học có thể được tăng cường qua

Trang 3

Nông trạiChaûy tràn bề mặtHồNước mưaKhí thảiHầm mỏThải từhầm mỏRị rỉ, chảy tràn

Bãi chơn

lấpChì rơi xuống hồLắng nềnđáyĐậpThànhphốChất thải từcác nhà máy

ĐậpBến đậuthuyềnBải chơnlấp hóachấtChảytràn

Khu xử lý bùn thải

Bãi bồ lấp, chônchất thải

Bến cảng

Bải chôn lấp cũBải chôn lấp chất

thải nguy hạiVị trí xử lý

bùn thải

Dầu trànVị trí có sự hiện diện

chất gây ơ nhiễm

Giàn khoan dầungồi khơiBùn thải từgiàn khoanĐạidươngNơng trạiChaûy tràn bề mặtHồNước mưaKhí thảiHầm mỏThải từhầm mỏRị rỉ, chảy tràn

Bãi chơn

lấpChì rơi xuống hồLắng nềnđáyĐậpThànhphốChất thải từcác nhà máy

ĐậpBến đậuthuyềnBải chơnlấp hóachấtChảytràn

Khu xử lý bùn thải

Bãi bồ lấp, chônchất thải

Bến cảng

Bải chôn lấp cũBải chôn lấp chất

thải nguy hạiVị trí xử lý

bùn thải

Dầu trànVị trí có sự hiện diện

chất gây ô nhiễm

Trang 4

Chất gây ô nhiễm môi trường

™ Vô cơ

™ Kim loại: Cd, Hg, Ag, Co, Pb, Cu, Cr, Fe

™ Chất phóng xạ, nitrate, nitrite, phosphate, Cyanide

™ Hữu cơ

™ Phân hủy sinh học: nước thải, bùn thải, chất thải nôngnghiệp và chế biến

™ Chất thải hóa dầu: dầu, diesel, BTEX

™ Chất thải tổng hợp: thuốc trừ sâu, diệt cỏ, HCHC cóhalogen, hydrocarbon mạch vịng

™ Sinh học: các mầm bệnh (vi khuẩn, virus)

™ Khí

™ Khí: SO2, CO2, NOx, methane

Trang 5

Chất thải vô cơ

™Kim loại và các hợp chất vô cơ khác thải vào môi

trường từ các hoạt động khai thác mỏ, luyện kim, chếtạo pin, trồng trọt

™Nhiều kim loại là cần thiết cho sinh vật nhưng với

nồng độ cao thì có thể trở nên độc

™Kim loại được hấp thu và tích lũy trong chuỗi thức ăn

sinh thái với nồng độ cao trong q trình phát tán sinhhọc

™Kim loại khơng thể bị phân hủy bởi các q trình hóa

học hoặc sinh học, do đó việc xử lý kim loại phải là

q trình tập trung (ngăn cản q trình phát tán), đóng

Trang 6

Gây phú dưỡngHoạt động nông nghiệp

Phosphate

Gây bỏng, mưa acidĐốt nhiên liệu

SO2

Ung thư, thiếu máuChảy tràn bề mặt, bảo quản

thịt

Nitrate/Nitrite

Mất cân bằng hệ thốngthần kinh, chết

Sản xuất chlor-alkali, thuốctrừ sâu, diệt nấm

Thủy ngân

Mất cân bằng hệ thốngthần kinh

Sản xuất pin, acquy, xăng

Chì

Ung thư thậnSản xuất pin

Cadmium

Ung thư phổiSơn nhà, quét vôi

Bụi amian

ĐộcLuyện kim, thuốc trừ sâu

Arsenic

Ảnh hưởngNguồn gốc

Chất thải vô cơ

Trang 7

Kim loại trong

nước thải Nước mỏ, nước thải các nhàmáy, nước trong môi trườngHấp thu

Kết tủa

Tách chiết

Bùn hoạt tínhPhục hồi kim loại

sử dụng đượcTái sử dụng tài

ngun

Loại thảikim loại độc

Ơ nhiễmmơi trường

Chất hấp thu vô cơ, hữu cơ và sinh học

Vi sinh vật và sinh khối

Arthrobacter

BacillusTannin (thủyphân được, cô đặc)Hạt gel tanninSử dụnghiệu quả

Trang 8

Hấp thu sinh học

™Các vật liệu sinh học có thể hấp thu nhiều kim loại

khác nhau

™Phản ứng của tế bào vi khuẩn đối với nồng độ cao của

kim loại có thể là một trong các quá trình sau:

™Loại ra khỏi tế bào

™Lấy năng lượng từ kim loại™Cô lập nội bào bởi các protein

™Cô lập ngoại bào bằng các polysaccharide trên màng™Biến đổi hóa học

™Việc sử dụng vật liệu sinh học để xử lý kim loại

thường qua 2 dạng:

Trang 9

Cơ chế hấp thu sinh học

Bên ngồi màng

Bên trong màng

Màng ngồi

Màng tế bào

Khơng bào

Thẩm thấuKênhion

Bơm raKhử

Tạo phức hợp vớinhóm -SH

Kết tủa(OH-, S2-)

Hấp thu sinhhọc

Protein vậnchuyểnThio

Trang 10

Mơ hình phản ứng hấp thu sinh học kim loại

1 Dịch chứa kim loại2 Chảy giọt

3 Kiểm soát lưa tốc4 Ống dẫn

5 Cấp dịch6 Chất hấp thu7 Bể phản ứng8 Thoát nước9 Bể chứa

Trang 11

Lắng ngoại bào

™Trong mơi trường có sulphate, kim loại nặng có thể

được loại thải bằng hoạt động của vi sinh vật kỵ khíDesulfovibrio và Desulfotomaculum

1.3SO42-+ 2 lactic acid Ỉ 3H2S + 6HCO3

-2.H2S + Cu2+ỈCuS + 2H+

™HCO3-trong phản ứng 1 phân hủy tạo thành CO2 và

nước, làm tăng pH và tăng quá trình kết tủ sulphide

™Lượng dư H2S thường gây độc và ăn mịn thiết bị, nên

có thể điều chỉnh nguồn carbon cung cấp, hoặc cũngcó thể được xử lý bởi vi khuẩn lưu huỳnh.

™Có thể sử dụng mơ hình bùn hoạt tính ngược dịng xử

Trang 12

Dưỡng chấtDịch chứa

kim loại

Chất tạo bông

Bùn hoạt tínhTách bùnLoạisulphide NướcsạchH2S

Bể phản ứng qua lớp bùn hoạt tínhkỵ khí để loại bỏ

Trang 13

Các chất vô cơ khác

™Các chất vô cơ khác như nitrate, phosphate, sulphate,

cyanide và arsenic

™Nitrate, phosphate chủ yếu từ các công trình xử lý nước thải, chảy tràn bề mặt qua các vùng nơng nghiệp, cơng nghiệp vàđược pha lỗng ở các con sơng

™Tuy nhiên với nơng độ cao thì chúng sẽ gây nên hiện tượng

phú dưỡng làm giảm chất lượng nước

™Một số vi sinh vật có khả năng loại nitrate và phosphate

trong đó có tảo lục

™Một lượng lớn cyanide từ khai thác vàng Cyanide có thể

được loại thải bởi các tác nhân oxi hóa như chlorine hoặcperoxide

™Các PP sinh học cũng đang được nghiên cứu như hấp thu

Trang 15

Hiện tượng phúdưỡng ở biển (thủy

Trang 16

Chất thải có nguồn gốc từ dầu mỏ

™Dầu mỏ là một phức hợp gồm các hợp chấthữu cơ

™Thành phần chính trong dầu mỏ làhydrocarbon có phân tử lượng từ thấp đến

cao, có cấu trúc phân tử phức tạp (mạch

thẳng, mạch nhánh, vòng, vòng thơm…)

Trang 17

Dầu thô

™ Dầu thô là kết quả của quá trình phân hủy kỵ khí

xác sinh vật trong thời gian dài dưới đất.

™ Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao các chất

hữu cơ chuyển thành khí, dầu lỏng, dầu sệt và hắcín.

™ Một phần trong dầu thơ có chứa BTEX và PAH

Khi dầu thô bị đẩy lên mặt đất do áp suất và nhiệtđộ cao hoặc bị rị rỉ từ các bể chứa thì các này đivào môi trường.

™ BTEX và PHA là các hợp chất độc, mặc dù không

Trang 18

Sự phân bố hydrocarbon trong đất từ sự cố rò rỉ dầu (Bossertvà Compeau, 1995)

Bể chứa dầubị rị rỉ

Bay hơi Đá khơngthấm

Dịngdầu

Tảngnước

Chất hữu cơ

hòa tan Dòng nướcngầm

Trang 19

Xử lý sinh học dầu tràn

™ Dầu tràn không trộn lẫn trong nước biển và nỗi trên

mặt nước, tạo điều kiện cho các hợp chất bay hơi đivào khơng khí

™ Sự phân tán dầu trên mặt biển cho phép các sinh

vật phân hủy dầu một cách tự nhiên

™ Sự phân hủy dầu diễn ra tại bề mặt tiếp xúc giữa

dầu và nước Do đó, dầu càng phân tán thì tốc độphân hủy càng cao.

™ Để tăng hiệu quả xử lý dầu bằng vi sinh vật, người

Trang 20

DẦU TRÀN

Dầu tràn là một trong những thảm họa đối vớimơi trường nước

Che mất ánh sáng, ngăn cản hoạt động củađộng thực vật biển

Phát tán nhanh và khơng cố định

Trang 21

DẦU TRÀN

Trang 23

Xử lý dầu tràn

Trang 24

Xử lý dầu tràn bằng các hệ

Trang 25

Xử lý sinh học đất bị ô nhiễm

™ Đất chứa một lượng lớn vi sinh vật có khả năng sử

dụng hydrocarbon

™ Đất bị nhiễm hydrocarbon chứa nhiều VSV hơn đất

không bị nhiễm, nhưng thành phần lồi VSV thì íthơn.

™ Số phận các hợp chất hữu cơ trong môi trường ảnh

hưởng bởi nhiều yếu tố.

™ Các yếu tố này ảnh hưởng lớn đến sự phát triển và

Trang 26

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của Vi sinh vật

™Sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ phânhủy sinh học được

™Sự hiện diện của các hợp chất vô cơ có chứanitrogen và phosphorus

™Nồng độ oxy, nhiệt độ, pH™Nước và độ ẩm

Trang 27

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy các hợpchất

Trang 28

Các con đường phân hủy hợp chất hydrocarbon

™ Các hợp chất hóa dầu, PAH, BTEX được phân hủy

bởi vi sinh vật đất.

™ VSV dùng các chất này như là nguồn carbon và

năng lượng cho hoạt động sống và tổng hợp tế bào

™ Thơng thường các hydrocarbon bị oxi hóa trong

Trang 29

CHU TRÌNH CREBS

CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI SINH HỌC MỘT SỐ

Trang 30

Nguyên tắc phản ứng phân hủy sinh học

™Làm cho các hydrocarbon thành các chấtphân cực

™Nếu là hợp chất hydrocarbon mạch vịng thìthực hiện phản ứng mở vịng

™Thay thế các nhóm halogen bằng nhóm -OH™Các phản ứng phân hủy được xúc tác bởi các

enzyme đặc hiệu

Trang 31

Đồng hóatrung tâm

CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI SINH HỌC MỘT SỐ

Trang 32

Các bước đầu tiên trong phân giải hydrocarbon mạchvòng bởi nấm, vi khuẩn và tảo (Cerniglia, 1993)

NấmTảo

Trang 34

Các chất hữu cơ tổng hợp

™ Hàng ngàn hợp chất hữu cơ tổng hợp được đưa vào

mơi trường

™ Điển hình cho loại hợp chất này là thuốc trừ sâu,

diệt cỏ và bảo vệ thực vật

™ Được đưa vào môi trường một cách trực tiếp

™ Một nhóm khác có khả năng gây ơ nhiễm nước

ngầm là các dung mơi clo hóa.

™ Một loại hóa chất được tổng hợp có độc tính cao là

dioxin.

Trang 36

Độc chất Thời gian bán phân hủy Mơi trường

DDT 10 năm Đất

TCDD 9 năm Đất

Atrazine 25 tháng Nước

Benzoperylene (PAH) 14 tháng Đất

Phenanthrene (PAH) 138 ngày Đất

Carbofuran 45 ngày Nước

Trang 37

Sự phân hủy sinh học các chất trong môi trườngPhân hủy Hữu sinh

Phân hủyvô sinh

Hoạt động sống của vi sinh vật

Loại bỏ nguyên

tử clo Cắt cấu trúcmạch vòng Cắt và loại bỏchuỗi carbon

Kết quả:- Khống hóa hồn tồn hợp chất

Trang 42

Công nghệ xử lý sinh học

™ Đất bị ô nhiễm có thể xử lý sinh học bằng 2 cách:

in-situ và ex-situ

Đất bị ô nhiễm

Tại chỗTrồng trọtLàm phân

Ủ đống sinh học

In-situ

Làm thoáng sinh họcPhun hơi

Hệ thống rễ

Trồng trọtLàm phân

Ủ đống sinh họcBể sinh học

Trang 46

Xử lý

khíBơmhútMáy táchkhí/nướcdưỡng chấtBể chứa

Trang 47

Xử lý đất bị ô nhiễm bằng thực vật

™ Dùng thực vật để hấp thu chất gây ô nhiễm và kim

loại từ đất

™ Xử lý bằng thực vật bao gồm các q trình:

1.Tách chiết bằng thực vật: loại thải chất ơ nhiễm và kimloại từ đất bằng cách tích lũy và phân hủy trong cơ thểthực vật

2.Hóa hơi bằng thực vật

3.Lọc qua bộ rễ

4.Ổn định, chuyển hóa các độc chất thành những chất ít độchơn.

™ Xử lý bằng thực vật: Hiệu quả cao, rẻ tiền, chi phí

Trang 48

Xử lý bằng thực vật

Bay hơi

Tích lũyPhân hủy

Hấp thuChất ơ nhiễm

Phân hủy sinh học

Bơm As đến không bào

Giữ phức hợp As-thiol trong láKhử arsenate thành arsenitetrong lá

Trang 51

Khí thải và biện pháp xử lý

™Khí thải chứa các hợp chất hữu cơ bay hơi(VOC), SO2, NOx, CFC, CO2, methane và hạtbụi

™Một phương pháp xử lý VOC là lọc sinh học, trong đó VSV được sử dụng đê phân hủyVOC

Trang 52

Tách nướcPhân phốinướcThan hoạt tínhDịng khíchứa VOC

Cấp và phânphối nước

Bơm hồn lưuThốt

nước

Vật liệu lọcsinh học

Ngănchứa bùn

Trang 53

Khử lưu huỳnh trong than và dầu

™Lưu huỳnh trong than và dầu khi bị đốt cháysẽ tạo nên SO2, đây là khí gây nên mưa acid nghiêm trọng

™Việc làm giảm SO2 có thể bằng cách khử S trong than hoặc xử lý khí SO2 sau khi đốtthan.

™Có thể loại SO2 bằng CaCO2 theo PT sau:

™ CaCO3 + SO2 Ỉ CaSO3 + CO2

Trang 54

Khử lưu huỳnh trong than và dầu

™Một số vi sinh vật lưu huỳnh có khả năng xửlý S trong than.

™ 2S + 3O2 + H2O Ỉ 2H2SO4

™Thiobacillus ferrooxidans có thể oxi hóa FeStheo PT sau:

™ 2FeS + 7O2 + 2H2O Ỉ 2FeSO4 + H2SO4

™ 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 Ỉ 2Fe2(SO4)3 + 2H2O

Ngày đăng: 14/10/2023, 13:38