Xử lý kim loại nặng trong nước thải dựa trên hiện tượng hấp thu sinh học (biosorption) nhờ vi tảo

i LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cám ơn Khoa Công Nghệ Hóa Học, trường Đại Học Bách Khoa TpHCM đã tạo điều kiện tốt cho em thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cám ơn Cô Hoàng Mỹ Dung đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô trong Khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua. Con xin nói lên lòng biết ơn sâu sắc đối với Cha Mẹ, Anh Chị đã chăm sóc nuôi dạy con nên người. Xin chân thành cám ơn các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên em trong thời gian học tập và nghiên cứu. Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. ii MỞ ĐẦU Trong một vài thập kỷ gần đây , cùng với sự phát triển nhanh chóng của đất nước , nghành công nghiệp Việt Nam đa ̃ có những tiến bộ không ngừng cả về số lượng các nhà máy cùng chủng loại các sản phẩm và chất lượng cũng ngày càng được cải thiện. Nghành công nghiệp phát triển đa ̃ đem lại cho người dân những hàng hóa rẻ hơn mà chất lượng không thua kém so với hàng ngoại nhập là bao nhiêu. Ngoài ra, ngành công nghiệp cũng đóng một vai trò đáng kể trong nền kinh tế quốc dân. Bên cạnh những mặt tích cực như trên thì song song tồn tại những mặt tiêu cực. Một trong những mặt tiêu cực đó là các loại chất thải do các nghành công nghiệp thải ra ngày càng nhiều làm ảnh hưởng đến môi trường sống và sức khoẻ của người dân. Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Bên cạnh các phương pháp hóa - lý với những ưu thế không thể phủ nhận được người ta đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các biện pháp sinh học vì nhiều loài sinh vật có khả năng hấp thu kim loại nặng. Xử lý kim loại nặng dựa trên hiện tượng hấp thu sinh học (biosorption) có thể là một giải pháp công nghệ của tương lai. Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là chất hấp thu sinh học (biosorbent) thì các loài tảo được đặc biệt chú ý. Rất nhiều trong số đó là các loài tảo có kích thước hiển vi hay còn gọi là vi tảo (microalgae). iii MỤC LỤC CHƢƠNG I : TỔNG QUAN v 1. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 1 1.1. Khái niệm ô nhiễm nƣớc 1 1.2. Nguồn gốc, các tác nhân gây ô nhiễm nƣớc 1 2. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng 4 2.1. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới 4 2.2. Tình trạng ô nhiễm kim loại nặng ở nƣớc ta 5 3. Hậu quả ô nhiễm kim loại nặng 7 3.1. Ảnh hƣởng tới môi trƣờng 7 3.2. Ảnh hƣởng tới con ngƣời 7 4. Các biện pháp xử lí 8 4.1. Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng bằng phƣơng pháp hóa lý 8 4.2. Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng bằng phƣơng pháp sinh học 9 5. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng ở Việt Nam và trên thế giới 11 CHƢƠNG II. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14 1. Nguyên liệu và hóa chất 14 1.1. Nguyên liệu 14 1.2. Hóa chất 14 2. Môi trƣờng nuôi cấy 14 3. Phƣơng pháp thí nghiệm 14 3.1. Phƣơng pháp nuôi cấy 15 3.2. Phƣơng pháp thu nhận sinh khối 15 iv 3.3. Phƣơng pháp khảo sát khả năng hấp thu Cu 2+ của sinh khối tảo sống và tảo chết 17 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ 19 1. Ảnh hƣởng của nồng độ Cu 2+ 19 1.1. Sinh khối tảo sống: 19 1.2. Sinh khối tảo khô: 23 2. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo N.oculata 27 2.1. Sinh khối tảo sống: 27 2.2. Sinh khối tảo khô 34 3. So sánh sinh khối tảo khô và tảo sống 40 4. Ứng dụng trong xử lí nƣớc thải 44 CHƢƠNG IV –BÀN LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 CHƢƠNG V- KẾT LUẬN 48 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các loại nƣớc thải chủ yếu 6 Bảng 1.2. Nồng độ tối đa cho phép của một số kim loại nặng trong các loại nƣớc theo tiêu chuẩn Việt Nam về môi trƣờng. 8 Bảng 1.3. Tiêu chuẩn bộ y tế về giới hạn hàm lƣợng kim loại nặng trong nƣớc ăn uống. 12 Bảng 1.4. pH thích hợp cho việc kết tủa các kim loại 14 Bảng 1.5. Một số loài thực vật có khả năng tích lũy kim loại nặng cao 15 Bảng 3.1. Lƣợng Cu 2+ hấp thụ mg/mL tảo sống đạt cao nhất ở các nồng độ tảo khác nhau. 28 Bảng 3.2. Lƣợng Cu 2+ hấp phụ g/g tảo khô đạt cao nhất ở các nồng độ tảo khác nhau 33 vi DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Nạn nhân bị nhiễm độc thuỷ ngân Minamata 9 Hình 2.1. Cách đếm tế bào trong buồng đếm 21 Hình 2.2. Chuẩn độ Cu 2+ bằng phƣơng pháp EDTA 23 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối tảo sống 25 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối tảo 26 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối tảo sống 27 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối tảo sống 28 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối khô 29 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối khô 30 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối khô 31 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn hiệu suất theo thời gian của sinh khối tảo 32 Hình 3.9. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo sống đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 34 Hình 3.10. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 35 Hình 3.11. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 36 Hình 3.12. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 37 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 38 Hình 3.14. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 39 Hình 3.15. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp thụ Cu 2+ theo thời gian 40 Hình 3.16. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian 41 vii Hình 3.16. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian 42 Hình 3.17. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian 43 Hình 3.18. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian 44 Hình 3.19. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian (Nồng độ Cu 2+ là 160 mg/L) 45 Hình 3.20. Ảnh hƣởng của nồng độ tảo đến khả năng hấp phụ Cu 2+ theo thời gian (Nồng độ Cu 2+ là 320 mg/L) 46 Hình 3.21. Khả năng hấp thụ Cu 2+ của sinh khối khô và tảo sống 47 Hình 3.22. Khả năng hấp thụ Cu 2+ của sinh khối khô và tảo sống 48 Hình 3.23. Khả năng hấp thụ Cu 2+ của sinh khối khô và tảo sống 49 Hình 3.24. Khả năng hấp thụ Cu 2+ của sinh khối khô và tảo sống 50 Hình 3.25. Hiệu suất hấp thụ Cu 2+ trong nƣớc thải 51 1 CHƢƠNG I : TỔNG QUAN 1. Ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 1.1. Khái niệm ô nhiễm nƣớc Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu đi các tính chất vật lý – hoá học – sinh học của nước, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật. Làm giảm độ đa dạng sinh vật trong nước. Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hưởng thì ô nhiễm nước là vấn đề đáng lo ngại hơn ô nhiễm đất. Ô nhiễm nước xảy ra khi nước bề mặt chảy qua rác thải sinh hoạt, nước rác công nghiệp, các chất ô nhiễm trên mặt đất, rồi thấm xuống nước ngầm. 1.2. Nguồn gốc, các tác nhân gây ô nhiễm nƣớc 1.2.1. Nguồn gốc Nước bị ô nhiễm là do sự phủ dưỡng xảy ra chủ yếu ở các khu vực nước ngọt và các vùng ven biển, vùng biển khép kín. Do lượng muối khoáng và hàm lượng các chất hữu cơ quá dư thừa làm cho các quần thể sinh vật trong nước không thể đồng hoá được. Kết quả làm cho hàm lượng ôxy trong nước giảm đột ngột, các khí độc tăng lên, tăng độ đục của nước, gây suy thoái thủy vực. 1.2.1.1. Ô nhiễm tự nhiên: Là do mưa,tuyết tan, lũ lụt,gió bão… hoặc do các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật, kể cả xác chết của chúng. Cây cối, sinh vật chết đi , chúng bị vi sinh vật phân hủy thành chất hữu cơ. Một phần sẽ ngấm vào lòng đất, sau đó ăn sâu vào nước ngầm, gây ô nhiễm. hoặc theo dòng nước ngầm hòa vào dòng lớn. Lụt lội có thể làm nước mất sự trong sạch, khuấy động những chất dơ trong hệ thống cống rãnh, mang theo nhiều chất thải độc hại từ nơi đổ rác, và cuốn theo các loại hoá chất trước đây đã được cất giữ. Nước lụt có thể bị ô nhiễm do hoá chất dùng trong nông nghiệp, kỹ nghệ hoặc do các tác nhân độc hại ở các khu phế thải. Công nhân thu dọn lân cận các công trường kỹ nghệ bị lụt có thể bị tác hại bởi nước ô nhiễm hoá chất. 2 Ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mòn, bão, lụt, ) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu. 1.2.1.2. Ô nhiễm nhân tạo Bảng 1.1. Các loại nƣớc thải chủ yếu Các loại nước thải Nguồn phát sinh Đặc điểm Nước thải sinh hoạt Hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ quan trường học… Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (cacbohydrat, protein, dầu mỡ), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn và vi trùng… Nước thải đô thị nước thải vệ sinh, nước thải cơ sở thương mại, công nghiệp nhỏ hoá chất, rác, … Nước thải công nghiệp Cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải Tùy thuộc vào ngành sản xuất công nghiệp cụ thể: chất hữu cơ, kim loại nặng… Nước thải y tế Nước thải bệnh viện Phế phẩm thuốc, các chất khử trùng, các dung môi hóa học, dư lượng thuốc kháng sinh, các đồng vị phóng xạ, vi khuẩn gây bệnh… Nước thải nông nghiệp Hoạt động chăn nuôi gia súc, trồng trọt… Phân, nước tiểu gia súc, thức ăn, thuốc trừ sâu, phân bón… Theo thống kê của Sở Khoa học Công nghệ & Môi trường Cần Thơ, trung bình mỗi ngày 1 người dân đô thị Cần Thơ thải ra hơn 0,89 kg rác. Lượng rác thu gom đổ vào bãi rác chỉ khoảng 60%, số còn lại người dân đổ ra sông, ao hồ, cống rãnh, kênh, rạch gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ngoài ra người dân ở đây còn sử dụng khoảng sông nhỏ hẹp ấy như một hệ thống WC. 3 Theo báo cáo mới nhất của Sở KHCN & MT TP.HCM (22/10/2002) trung bình mỗi ngày sông Đồng Nai và Sài Gòn phải hứng chịu trên 852.000 m 3 lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt với hàm lượng DO thấp (DO là lượng oxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước) và COD (COD - Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ) quá cao Còn tại các khu đô thị, trung bình mỗi ngày thải ra 20.000 tấn chất thải rắn nhưng chỉ thu gom và đưa ra các bãi rác được trên 60% tổng lượng chất thải nên đã gây ô nhiễm nguồn nước. Hiện nay trong tổng số 134 khu công nghiệp, khu chế xuất đã đi vào hoạt động ở nước ta mới chỉ có 1/3 khu công nghiệp, chế xuất có hệ thống xử lý nước thải. Nhiều nhà máy vẫn dùng công nghệ cũ, có khu công nghiệp thải ra 500.000 m3 nước thải mỗi ngày chưa qua xử lý. Hàm lượng nước thải của các ngành công nghiệp này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư. Theo kết quả phân tích của cơ quan chức năng, loại nước thải y tế gây ô nhiễm nặng về mặt hữu cơ và vi sinh. Hàm lượng vi sinh cao gấp 100 - 1.000 lần tiêu chuẩn cho phép, với nhiều loại vi khuẩn như Salmonella, tụ cầu, liên cầu, virus đường tiêu hoá, bại liệt, các loại ký sinh trùng, amip, nấm. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp 2-3 lần tiêu chuẩn cho phép. 1.2.2. Các tác nhân gây ô nhiễm nƣớc: Một trong những tác nhân gây ô nhiễm nước đang được quan tâm nhiều nhất hiện nay là các kim loại nặng. [...]... chất nặng, có sunfua hoặc selen thay cho ôxy 4.2.3 Sử dụng vi tảo Những ƣu thế: Người ta đã phát hiện rằng nhiều loại sinh khối có thể hấp thu (sorption) kim loại nặng trong nước, trong số đó có sinh khối vi tảo Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi c sử dụng sinh khối sống và chết của các loại vi tảo để hấp thu kim loại nặng có những ưu thế đặc biệt:  Nhiều loại vi tảo có khả năng thu nhận kim loại nặng. .. thác khoáng sản Ô nhiễm kim loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nước Trong một số trường hợp, xuất hiện hiện tượng chết hàng loạt cá và thu sinh vật Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng là quá trình đổ vào môi trường nước nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu Các nguồn chính thải ra các kim loại nặng này là từ các nhà... phần hóa học khác có độc tính cao với các sinh vật sống vì vậy cần phải tiến hành xử lý sơ bộ trước khi đưa tảo vào để xử lý kim loại nặng Có thể nói rằng vi tảo chỉ thực hiện một số công đoạn trong quá trình xử lý nước thải, chủ yếu là tham gia vào giai đoạn xử lý cấp II và cấp III (Nguồn : Xử lý ô nhiễm một số kim loại nặng trong nước thải công nghiệp bằng phương pháp sinh học Đặng Đình Kim. ) 5 Tình... quả để loại trừ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp Những thách thức  Thách thức lớn nhất đối với vi c sử dụng vi tảo để loại trừ kim loại nặng trong nước thải là khả năng hấp thu kim loại nặng của các loài tảo khác nhau là rất khác nhau Trong số hàng ngàn loài vi tảo đã được phân loại thì mới chỉ có rất ít loài được nghiên cứu về khả năng thu nhận kim loại nặng của chúng Vi c tìm kiếm, chọn... chọn lọc những chủng, loài tảo có khả năng hấp thu mạnh mẽ kim loại nặng là một nhiệm vụ to lớn của các nhà nghiên cứu hiện nay Trạng thái của sinh khối tảo, cách thức tiền xử lý sinh khối trước khi đem hấp thu kim loại nặng cũng có những ảnh hưởng quan trọng tới năng lực hấp thu Vì lý do thương mại, các chủng tảo có khả nãng hấp thu kim loại nặng cao và phương pháp tiền xử lý sinh khối thường không được... độ kim loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàng nghìn lần nồng độ trong tự nhiên  Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rất hiệu quả trong vi c loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nước thải  Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hơn so với sự kết tủa hóa học ở khả năng thích nghi với sự thay đổi pH và nồng độ kim. .. máy thu c da, các xí nghiệp mạ thải nước thải chứa các kim loại nặng nguy hiểm như Ni, Cr, Fe, Hg, Cu, Pb Vì vậy nghiên cứu sử dụng vi tảo để loại trừ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp ở nước ta là một hướng công nghệ đáng được quan tâm Tuy nhiên đây là một lĩnh vực còn rất mới mẻ ở Vi t Nam Trên thế giới, vấn đề xử lí kim loại nặng bằng vi tảo đã được ngiên cứu từ khá lâu Tuy nhiên, trong. .. thực sự có khả năng hấp thụ cao đối với các ion kim loại nặng, sử dụng chúng để xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng có những ưu thế đặc biệt Tuy nhiên, vi c tìm kiếm, chọn lọc những chủng, loài tảo có khả năng hấp thu mạnh mẽ kim loại nặng là một nhiệm vụ to lớn của các nhà nghiên cứu hiện nay Đối tượng Nanochloropsis oculata là đối tượng còn khá mới mẻ trong vấn đề xử lí kim loại nặng Do đó, mục tiêu... tồn tại rất lâu trong cơ thể nếu bị nhiễm phải Tóm lại cơ chế nhiễm độc của các kim loại nặng rất đa dạng và phức tạp và hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu cả về lĩnh vực bệnh học và điều trị 4 Các biện pháp xử lí 4.1 Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng bằng phƣơng pháp hóa lý Bằng con đường xử lý hóa học người ta có thể loại trừ kim loại nặng ra khỏi nước thải Với các nguồn nước thải công nghiệp... Kim. ) 5 Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng ở Vi t Nam và trên thế giới Ở Vi t Nam hiện nay, quy mô và mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp đang gia tăng với tốc độ đáng lo ngại Vi c áp dụng các biệp pháp hóa - lý như đã nêu thường có giá thành cao, khiến nhiều hoạt động công nghiệp vẫn tiếp tục thải nước thải chứa kim loại nặng vào môi trường 11 Các điều tra . xử lí 8 4.1. Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng bằng phƣơng pháp hóa lý 8 4.2. Xử lý nƣớc thải chứa kim loại nặng bằng phƣơng pháp sinh học 9 5. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý. hóa lý Bằng con đường xử lý hóa học người ta có thể loại trừ kim loại nặng ra khỏi nước thải. Với các nguồn nước thải công nghiệp có nồng độ kim loại nặng cao và pH cực đoan thì việc xử lý. vào để xử lý kim loại nặng. Có thể nói rằng vi tảo chỉ thực hiện một số công đoạn trong quá trình xử lý nước thải, chủ yếu là tham gia vào giai đoạn xử lý cấp II và cấp III. (Nguồn : Xử lý ô