báo cáo tiểu luận xử lý sinh học chất thải nguy hại

Trong các quá trình xử lý sinh học mà chúng ta sắp sửabàn tới đây, người ta sẽ tạo và kiểm soát môi trường sao chothuận lợi nhất để vi sinh vật thích hợp có thể phát triển vàphân hủy các

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA HỌC VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

Mục lục

I Tổng quan 3

1 Giới thiệu về xử lý sinh học: 3

1.1 Khái niệm: 3

1.2 Đặc điểm, phân loại: 3

2 Chất thải nguy hại: 4

2.1 Định nghĩa: 4

2.2 Nguồn gốc và phân loại: 5

3 Ứng dụng VSV 8

3.1 Khái niệm cơ bản về chuyển hóa vi sinh vật 8

3.2 Bản chất quá trình chuyển hóa của VSV 9

II Phương pháp xử lý sinh học chất thải nguy hại 11

1 Yếu tố ảnh hưởng: 11

2 Phân loại các hệ thống xử lý sinh học các chất thải nguy hại và đối tượng:113 Yêu cầu dinh dưỡng của VSV để xử lý chất thải nguy hại 11

4 Cơ chế xử lý sinh học: 12

5 Sự thay đổi về các chỉ số trong môi trường hậu xử lý sinh học 12

5.1 Sự thay đổi về chỉ số hóa học: 12

5.2 Sự thích nghi của các VSV bản địa 13

5.3 Sự tăng trưởng của kẻ thù: 13

6 Những yếu tố phức tạp khác: 13

6.1 Sự không có sẵn của các chất gây nguy hại 14

6.2 Độc tính của chất thải nguy hại ảnh hưởng tới tế bào 15

6.3 Sự hiện diện của nhiều chất gây ô nhiễm và hóa chất hữu cơ tự nhiên 156.4 Chất thải nguy hại không hoàn toàn bị phân hủy 16

6.5 Sự tắc nghẽn của tầng nước 16

7 Các chất thải nguy hại có thể xử lý sinh học 17

7.1 Hydrocacbon dầu mỏ và các dẫn xuất 17

3

hay các chất hữu cơ hoặc vô cơ đơn giản hơn (có thể kể đếnaldehyd hoặc axit) nhờ vào hoạt động của các vi sinh vật - Xử lý sinh học phải dựa trên cơ sở của sinh học: sự phân hủy

sinh học vẫn thường diễn ra trong tự nhiên, ở mọi lúc và mọinơi nào có đủ điều kiện cho nó xảy ra, nhưng ở tốc độ rấtchậm Trong các quá trình xử lý sinh học mà chúng ta sắp sửabàn tới đây, người ta sẽ tạo và kiểm soát môi trường sao chothuận lợi nhất để vi sinh vật thích hợp có thể phát triển vàphân hủy các chất hoặc hợp chất mà con người mong muốn.

* Đặc điểm:

- Không giống như các quy trình xử lý hóa lý thông thường cónhững hạn chế đáng kể, xử lý sinh học bền vững, thân thiệnvới môi trường, không tốn kém và có thể mở rộng.

- Nghiên cứu xử lý sinh học tập trung đáng kể vào việc kích thíchquá trình bằng cách cấy vi sinh vật vào vị trí bị ô nhiễm hoặccung cấp chất dinh dưỡng để thúc đẩy tăng trưởng.

- Về lý thuyết, xử lý sinh học có thể được sử dụng để giảm thiểutác động của các sản phẩm phụ do hoạt động của con ngườitạo ra, chẳng hạn như quá trình công nghiệp hóa và nôngnghiệp.

- Xử lý sinh học có thể chứng minh hiệu quả về chi phí và bềnvững hơn các phương pháp dọn dẹp khác.

* Phân loại:

- Một mối quan tâm chính trong việc xác định liệu môi trường địađiểm có thích hợp cho xử lý sinh học tại chỗ hay không là loạixử lý sinh học sẽ được thực hiện Xử lý sinh học có thể đượcnhóm thành hai loại lớn: nội tại và kỹ thuật Hình 1 minh họasự khác biệt giữa hai loại này.

- Xử lý sinh học nội tại quản lý các khả năng bẩm sinh của cáccộng đồng vi sinh vật xuất hiện tự nhiên để làm suy giảm cácchất gây ô nhiễm môi trường mà không cần thực hiện bất kỳ

bước kỹ thuật nào để tăng cường quy trình Nó khác với cácgiải pháp thay thế không hành động ở chỗ nó yêu cầu tài liệukỹ lưỡng về vai trò của các vi sinh vật bản địa trong việc loại

bỏ chất gây ô nhiễm thông qua các thử nghiệm được thực hiệntại các địa điểm thực địa hoặc trên các mẫu đất, trầm tích hoặcnước có nguồn gốc từ địa điểm Hơn nữa, hiệu quả của xử lýsinh học nội tại phải được chứng minh bằng chế độ giám sát tạichỗ thường xuyên phân tích nồng độ chất gây ô nhiễm Cácthuật ngữ xử lý sinh học "tự nhiên", "thụ động" và "tự phát" và"làm suy giảm sinh học"

`Hình 1

Sự khác biệt giữa xử lý sinh học nội tại và kỹ thuật Trong quátrình xử lý sinh học nội tại, bên trái, các vi khuẩn bản địa dưới bềmặt sẽ phân hủy các chất gây ô nhiễm mà không cần sự canthiệp trực tiếp của con người Ở góc nhìn cận cảnh, các vi khuẩnbản địa sử dụng sắt (Fe3+) làm chất nhận điện tử để phân hủytoluene (C7H8), một chất gây ô nhiễm tiêu biểu, và chuyển đổi nóthành carbon dioxide (CO2) Trong xử lý sinh học kỹ thuật đúng,oxy (O2), nitơ (N) và phốt pho (P) được luân chuyển qua lớp dướibề mặt thông qua giếng tiêm và chiết để thúc đẩy sự phát triểncủa vi sinh vật Trong trường hợp này, vi khuẩn sử dụng oxy làmchất nhận điện tử, chuyển đổi nó thành nước (H2O) khi chúngphân hủy toluene Lưu ý rằng, như hình trong chế độ xem cận

5

cảnh, có nhiều vi khuẩn hơn đáng kể trong hệ thống xử lý sinhhọc được thiết kế so với trong hệ thống bên trong Do đó, sựxuống cấp của chất gây ô nhiễm xảy ra nhanh hơn trong hệ thốngđược thiết kế Xử lý sinh học nội tại đòi hỏi phải giám sát chặt chẽđể đảm bảo rằng chất gây ô nhiễm không phát triển nhanh hơntốc độ mà các vi khuẩn bản địa có thể phân hủy nó.

2 Chất thải nguy hại:

- Thuật ngữ€chất thải nguy hại€lần đầu tiên xuất hiện vào thậpniên 70 Sau một thời gian nghiên cứu và phát triển, tùy thuộcvào sự phát triển khoa học kỹ thuật€và xã hội cũng như quanđiểm của mỗi nước mà hiện nay trên thế giới có nhiều địnhnghĩa khác nhau về chất thải nguy hại Chẳng hạn như:- Philipine: chất thải nguy hại là những chất có độc tính, ăn mòn,

gây kích thích, hoạt tính, có thể cháy, nổ mà gây nguy hiểmcho người và động vật.

- Canada: chất thải nguy hại là những chất mà do bản chất vàtính chất của chúng có khả năng gây nguy hại đến sức khỏecon người và/hoặc môi trường Và những chất này yêu cầu cáckỹ thuật xử lý đặc biệt để loại bỏ hoặc giảm đặc tính nguy hạicủa nó.

- Chương trình môi trường của Liên Hợp Quốc (12/1985): ngoàichất thải phóng xạ và chất thải y tế, chất thải nguy hại là chấtthải (dạng rắn, lỏng, bán rắn-semisolid và các bình chứa khí)mà do hoạt tính hóa học, độc tính, nổ, ăn mòn hoặc có đặc tínhkhác, gây nguy hại hay có khả năng gây nguy hại đến sức khỏecon người hoặc môi trường bởi chính bản thân chúng hay khiđược cho tiếp xúc với chất thải khác.

- Mỹ: có thể được coi là chất thải nguy hại khi:

Nằm trong mục chất thải nguy hại do EPA đưa ra (gồm 4danh sách)

Có một trong bốn đặc tính (khi phân tích) do EPA đưa ragồm cháy-nổ, ăn mòn, phản ứng và độc tính

Được nhà sản xuất công bố là chất thải nguy hại

- Tại Việt Nam: chất thải nguy hại là chất thải có chứa các chấthoặc hợp chất có một trong các đặc tính gây nguy hại trực tiếp(dễ cháy, dễ nổ, làm ngộ độc, dễ ăn mòn, dễ lây nhiễm và các

đặc tính nguy hại khác), hoặc tương tác với chất khác gây nguyhại đến môi trường và sức khỏe con người.

* Nguồn gốc:

- Nguồn phát sinh: Hầu hết tất cả các ngành nghề đều phát sinhchất thải nguy hại Tùy theo mỗi lĩnh vực mà phát sinh chấtthải nguy hại đặc trưng cho từng ngành.

Nguồn sinh hoạt: các acquy, pin hỏng, đèn huỳnh quangthải,chất thải có thành phần sơn, vecni, chất kết dính,chất bịt kín, mực in hoặc thuốc diệt trừ các loài gây hại.

Dịch vụ: Tráng phim, chất thải từ chăm sóc y tế, hoá trịliệu, chất thải phóng xạ, trong đó y tế khoảng 21.000tấn hàng năm.

Công nghiệp: Mạ kim loại là các kim loại nặng như€Cr, Ni,dung dịch axit, khoảng 130.000 tấn hàng năm (trongđó, Công nghiệp nhẹ€chiếm 47%, Công nghiệp hoá chất24%, Luyện kim 20%,€Chế biến thực phẩm€8%, Điện, điệntử 1%)

o Khoáng sản: Quặng sắt, quặng sulfide thải, bùn thảivà chất thải có chứa dầu, hắc ín thải

o Cơ khí: Chất thải có chứa amiăng, xăng, dầu, nhớtthải, sáp, mỡ thải, bùn thải từ thiết bị chặn dầuhoặc tách dầu, bùn thải hoặc chất thải có chứahalogen€hữu cơ

o Điện: Các thiết bị điện có PCB, CFC, HCFC, HFC,amiăng

- Nông nghiệp:

o Trông trọt: Bao bì thuốc trừ sâu, các thuốc trừ sâucấm sử dụng, các loại thuốc hết hạn sử dụng, o Chăn nuôi: Kim tiêm, vỏ chai thuốc, chứa dược

phẩm gây độc tế bào (cytotoxic và cytostatic), giasúc - gia cầm chết do dịch bệnh.

- Ở Việt Nam lượng rác thải độc hại từ nông nghiệp hàng năm là3.600 tấn/ năm, chưa kể 37.000 tấn chất hoá chất cấm sửdụng đang tồn kho chưa có biện pháp xử lý.

- Nhìn chung nguồn phát sinh chất thải nguy hại phần lớn xuấtphát từ các hoạt động công nghiệp.

7

*Phân loại:

- Chất thải nguy hại dễ cháy là chất có tính chất phù hợpvới một trong số trường hợp dưới: (xếp theo bảng EPA làchất thải nhóm D001)

o Là chất lỏng hay dung dịch chứa lượng alcohol <24% (theo thể tich) hay có điểm chớp cháy nhỏ hơn600C (1400F)

o Là chất thải (lỏng hoặc không phải chất thải lỏng)có thể cháy qua ma sá,€hấp phụ độ ẩm hay tự biếnđổi hoá học, khi bắt lửa cháy rất mãnh liệt và liêntục tạo ra hay có thể tạo ra chất thải nguy hại,trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn.o Là khí nén

o Là chất oxy hóa

- Chất thải nguy hại có tính ăn mòn là chất có tính chấtphù hợp với một trong số trường hợp dưới: (xếp theobảng EPA là chất thải nhóm D002)

o Là chất lỏng có pH ≤ 2 hay pH ≥ 12,5

o Là chất lỏng có tốc độ ăn mòn thép lớn hơn6.35€mm (0.25 inch) một năm ở nhiệt độ thí nghiệmlà 55 C (13000F).

- Chất thải nguy hại có tính phản ứng là chất có tính chấtphù hợp với một trong số trường hợp dưới: (xếp theobảng EPA là chất thải nhóm D003)

o Thường không ổn định và dễ thay đổi một cáchmãnh liệt mà không gây nổ

o Phản ánh mãnh liệt với nướco Có khả năng nổ khi trộn với nước

o Khi trộn với nước, chất thải sinh ra khí độc, bay hơihoặc khói với lượng có thể gây nguy hại cho sứckhỏe của con người hoặc môi trường.

o Là chất thải chứa cyanide hay sulfide ở điều kiện pHgiữa 2 và 11.5 có thể tạo ra khí độc, hơi hoặc khóivới lượng có thể nguy hại cho sức khỏe con ngườihoặc môi trường.

o Chất thải có thể nổ hoặc phản ứng gây nổ nếu tiếpxúc với nguồn kích nổ mạnh hoặc nếu được gianhiệt trong thùng kín.

o Chất thải có thể dễ dàng nổ hoặc phân hủy nổ, hayphản ứng ở nhiệt độ và áp suất chuẩn.

9

sinh vật sẽ đồng thời gián tiếp hoặc trực tiếp giải quyết các chất thảinguy hại.

Chuyển hóa của VSV thường xảy ra bởi các cơ quan trong tế bàothực vật có khả năng dùng các chất thải để phát triển và nhân đôi.Chất thải hữu cơ cung cấp cho tế bào một nguồn các-bon – mộtnguyên liệu cơ bản cho mọi quá trình, mọi thành phần của tế bào.Ngoài ra, chúng còn cung cấp electron – điều kiện để các tế bào cóthể thu nhận năng lượng từ bên ngoài môi trường

Hình 3: Vai trò của chất thải hữu cơ đối với quá trình chuyển hóaVSV

Vi khuẩn làm suy giảm các chất thải độc hại vì trong quá trìnhchúng thu năng lượng cho phép chúng phát triển và sinh sản Vikhuẩn lấy năng lượng từ các chất gây ô nhiễm bằng cách phá vỡ cácliên kết hóa học và chuyển các electron từ các chất gây ô nhiễmsang chất nhận điện tử, chẳng hạn như oxy Họ "đầu tư" năng lượng,cùng với một số electron và carbon từ chất gây ô nhiễm, để tạo ranhiều tế bào hơn.

Vi sinh vật thu được năng lượng bằng cách xúc tác các phản ứnghóa học sản xuất năng lượng liên quan đến việc phá vỡ các liên kếthóa học và chuyển các electron ra khỏi chất thải nguy hại Loại phảnứng hóa học được gọi là phản ứng oxy hóa-khử: chất thải nguy hạihữu cơ bị oxy hóa, thuật ngữ kỹ thuật để mất electron; Tương ứng,hóa chất nguy hại giảm khả năng nhận electron Chất gây ô nhiễm

được gọi là nguồn cho electron, còn tế bào là chất nhận electron.Năng lượng thu được từ các chuyển electron này sau đó được "đầutư", cùng với một số electron và carbon từ chất gây ô nhiễm, để tạora nhiều tế bào hơn Hai vật liệu này - chất cho electron và chấtnhận - rất cần thiết cho sự phát triển của tế bào và thường được gọilà chất nền chính.

* Hô hấp hiếu khí:

nhận electron Quá trình phá hủy các hợp chất hữu cơ với sự trợ giúp

nước và rất nhiều các tế bào mới được tạo ra *Hô hấp kị khí (yếm khí)

Có rất nhiều cơ quan có thể tồn tại mà không cần đến oxy, dùngmột phương pháp gọi là hô hấp kị khí Trong hô hấp kị khí, có rất

SO42−¿ ¿, Fe3 +¿¿, Mn4+¿ ¿, hoặc thậm chí cả CO2 Ngoài ra, hô hấp kị khí còndùng cả các chất thải nguy hại vô cơ làm chất nhận electron Hơnnữa, sản phẩm của hô hấp kị khí có thể sinh ra sản phẩm phụ là khí

chất nhận electron là chất nào.

- Các hợp chất hữu cơ được dùng làm chất cho electron: Ngoài việc các cơ quan dùng chất thải vô cơ làm chất nhận electroncho hô hấp kị khí, một số cơ quan khác dùng phân tử vô cơ làm chấtcho electron Khi những phân tử vô cơ này được oxi hóa, electron sẽđược vận chuyển đến chất nhận electron (thường là Oxy) để tái tạonăng lượng cho các quá trình tổng hợp năng lượng cho tế bào Đại

- Lên men:

Một quá trình chuyển hóa đóng vai trò quan trọng trong môi trườngkhông có oxy là lên men Quá trình này không cần chất nhậnelectron từ bên ngoài bởi lẽ nó dùng chất thải nguy hại hữu cơ đểlàm đồng thời cả chất nhận electron và chất cho electron Qua quá

11

trình chuyển hóa nội phân tử trong tế bào, chất thải nguy hại hữu cơđược chuyển hóa thành sản phẩm của lên men, ví dụ như axetat,

- Chuyển hóa thứ cấp và trao đổi chất:

Trong một số trường hợp, tế bào có thể chuyển đổi chất thải dù choviệc này không mang lại lợi ích gì cho chúng Thuật ngữ chung chobiến đổi sinh học không có lợi như vậy là sử dụng thứ cấp, và mộttrường hợp đặc biệt quan trọng được gọi là đồng chuyển hóa Trongquá trình đồng trao đổi chất, sự biến đổi của chất gây ô nhiễm làmột phản ứng ngẫu nhiên được xúc tác bởi các enzyme liên quanđến chuyển hóa tế bào bình thường hoặc các phản ứng giải độc đặcbiệt Ví dụ, trong quá trình oxy hóa khí mê-tan, một số vi khuẩn cóthể tình cờ làm suy giảm dung môi clo hóa mà nếu không chúng sẽkhông thể tấn công Khi các vi khuẩn oxy hóa metan, chúng tạo ramột số enzyme ngẫu nhiên phá hủy dung môi clo hóa, mặc dù bảnthân dung môi không thể hỗ trợ tăng trưởng vi sinh vật Khí metan lànhà tài trợ điện tử chính vì nó là nguồn thức ăn chính của sinh vật,trong khi dung môi clo hóa là chất nền thứ cấp vì nó không hỗ trợ sựphát triển của vi khuẩn Ngoài metan, toluene và phenol đã được sửdụng làm chất nền chính để kích thích đồng chuyển hóa dung môiclo hóa.

- Dehalogẹn hóa khử:

Một biến thể khác về chuyển hóa vi sinh vật là khử halogen hóa.Dehalogen hóa khử có khả năng quan trọng trong việc giải độc cácchất gây ô nhiễm hữu cơ halogen, chẳng hạn như dung môi clo.Trong quá trình khử halogen hóa, vi khuẩn xúc tác một phản ứngtrong đó một nguyên tử halogen (như clo) trên phân tử gây ô nhiễmđược thay thế bằng một nguyên tử hydro Phản ứng thêm haielectron vào phân tử gây ô nhiễm, do đó làm giảm chất gây ônhiễm.

Để quá trình khử halogen hóa tiến hành, một chất khác với chất gâyô nhiễm halogen hóa phải có mặt để đóng vai trò là nhà tài trợ điệntử Các chất cho electron có thể là hydro và các hợp chất hữu cơtrọng lượng phân tử thấp (lactate, acetate, metanol hoặc glucose).Trong hầu hết các trường hợp, khử halogen hóa khử không tạo ranăng lượng nhưng là một phản ứng ngẫu nhiên có thể có lợi cho tếbào bằng cách loại bỏ một vật liệu độc hại Tuy nhiên, các nhà

nghiên cứu đang bắt đầu tìm ra các ví dụ trong đó các tế bào có thểlấy năng lượng từ quá trình trao đổi chất này.

II Phương pháp xử lý sinh học chất thải nguy hại

Xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng vi sinh vật đểphân hủy và biến đổi chất hữu cơ trong chất thải nhằm giảm cácnguy cơ của nó với môi trường Trong quản lý chất thải€nguy hại,việc xử lý chất hữu cơ nguy hại có thể thực hiện được nếu sử dụngđúng loài vi sinh vật và kiểm soát quá trình hợp lý.

1 Yếu tố ảnh hưởng:

- Nguồn năng lượng và nguồn cơ chất- Quá trình enzyme hóa

- Tính có thể phân hủy sinh học của cơ chất

- Tính ức chế và độc tính của cơ chất đối với sinh vật- Cộng đồng vi sinh vật

2 Phân loại các hệ thống xử lý sinh học các chất thải nguy hại vàđối tượng:

- Xử lý tại nguồn: dùng xử lý nước ngầm và đất ô nhiễm- Xử lý bùn lỏng: dùng xử lý bùn với hàm lượng cặn từ 5-

- Xử lý dạng rắn: xử lý bùn và chất rắn có độ ẩm thấp3 Yêu cầu dinh dưỡng của VSV để xử lý chất thải nguy hạiBất kể vi khuẩn dùng cơ chế nào để làm suy giảm chất gây ô nhiễm,các thành phần tế bào của vi khuẩn phải có những thành phầnnguyên tố tương đối cố định Một tế bào vi khuẩn điển hình phải có50% carbon; 14% nitơ; 3% phốt pho; 2 phần trăm kali; 1 phần trămlưu huỳnh; 0,2% sắt; và 0,5% mỗi canxi, magiê và clorua Nếu bất kỳyếu tố nào trong số này hoặc các yếu tố khác cần thiết cho việc xâydựng tế bào bị thiếu hụt so với carbon có mặt dưới dạng chất gây ônhiễm hữu cơ, sự cạnh tranh về chất dinh dưỡng trong cộng đồng visinh vật có thể hạn chế sự phát triển tổng thể của vi sinh vật và làmchậm quá trình loại bỏ chất gây ô nhiễm Do đó, hệ thống xử lý sinhhọc phải được thiết kế để cung cấp nồng độ và tỷ lệ thích hợp củacác chất dinh dưỡng này nếu môi trường sống tự nhiên không cungcấp chúng.

4 Cơ chế xử lý sinh học:

13