Trong phần này sẽ giới thiệu hai phần: Sử dụng vi khuẩn l-u huỳnh trong quá trình thấm lọc sinh học và sử dụng thực vật để chiết tách tại chỗ các kim loại.
a/ Ph-ơng pháp thấm lọc sinh học: Các vi khuẩn -a axit có thể sử dụng quá trình khử các hợp chất sulfua nh- là các chất cho electron để cung cấp năng l-ợng cho sự phát triển của chúng. Hầu hết các vi khuẩn này thuộc họ
Thiobacillus. Các vi khuẩn này sống trong môi tr-ờng -a khí, tự d-ỡng, có pH tốt nhất cho sự phát triển = 1 - 4, nhiệt độ tốt nhất có thể thay đổi với các loài và chủng từ 15 - 550C.
Ph-ơng pháp thấm lọc sinh học các kim loại nặng của vi sinh vật có thể đ-ợc tiến hành trực tiếp hoặc gián tiếp và đ-ợc mô tả theo các ph-ơng trình sau:
S0 + H2O + 3/2O2 H2SO4 (1) H2SO4 + đất-Me đất-2H + MeSO4 (2)
MeS + 2O2 MeSO4 (3)
Việc thấm lọc gián tiếp của các kim loại nặng bao gồm sự axit hoá nhanh bởi các VSV, oxi hoá hoặc khử các hợp chất sunfua. Kết quả là các proton di dời vào n-ớc có thể thay thế các kim loại hấp phụ trên các phần tử đất (phản ứng 2). Trong các ph-ơng pháp thấm lọc trực tiếp do hệ enzim của các vi khuẩn di chuyển các electron tới oxi và dẫn tới sự hoà tan của các kim loại nặng (phản ứng 3).
Việc thực hiện các quá trình thấm lọc sinh học phụ thuộc vào rất nhiều quá trình oxi hoá các kim loại nặng trong đất cần đ-ợc làm sạch. Các kim loại nặng trong các trầm tích thiếu oxi xuất hiện ở dạng sunfua hoặc ở các dạng khử khác. Do đó việc ứng dụng ph-ơng pháp thấm lọc sinh học đối với dạng sunfua có thể bị tác động trực tiếp và các hợp chất khử khác có chứa kim loại có thể bị oxi hoá nhanh và do đó có thể hoà tan. Nếu nồng độ pH đủ thấp, các kim loại thoát ra không nhất thiết hấp phụ trên các trầm tích và khả năng tách sẽ rất lớn.
Khi các chất tiếp xúc với các điều kiện háo khí thì trạng thái sẽ khác nhau. Do các kim loại nặng có mặt trong các hợp chất oxi hoá, chúng dễ dàng di chuyển hoá học, hấp phụ và các tác động khác dẫn tới việc tích tụ tập trung hơn của kim loại trong đất. Do vậy nồng độ pH sẽ thấp hơn hay thời gian tách sẽ dài hơn là điều cần thiết cho quá trình tách có hiệu quả hơn.
Quá trình tách có thể tiến hành theo 3 cách:
Các lò phản ứng đất - bùn (ở trong khu vực đất ô nhiễm, đ-ợc ngâm chiết, đánh đống - xem hình 3.6 ). Đối với các lò này việc trộn lẫn hỗn hợp và thông khí là điều hết sức cần thiết. Sự kiểm soát quá trình này liên quan đến việc thêm vào các cơ chất (các hợp chất sunfua là tốt nhất) cũng nh- sự kiểm soát pH trong lò phản ứng. Sự lựa chọn này thì thích hợp hơn với các trầm tích thiết oxi do Thiobacillus sp. có thể tăng một cách nhanh chóng tính hoà tan của các hợp chất kim loại bị khử mà không có sự giảm đáng kể của pH d-ới 2. Do vai trò duy nhất của Thiobacillus sp. là sản xuất H2SO4 khi đất ở môi tr-ờng háo khí.
Tuy nhiên Thiobacillus sp. có thể đ-ợc sử dụng trong quá trình xử lý ở các khu vực ngâm chiết hoặc đánh đống. Trong ngâm chiết đánh đống (hình 3.8)
một hợp chất l-u huỳnh và các vi sinh vật thích hợp đ-ợc đ-a vào tr-ớc khi đất đ-ợc chất đống hoặc đ-ợc phun cùng chất lỏng lên trên bề mặt. Các chất lỏng đã sử dụng có thể đ-ợc tái sử dụng để duy trì hàm l-ợng n-ớc cần thiết. Việc bổ sung nguyên tố l-u huỳnh nh- là cơ chất thích hợp nhất.
Việc thôi sử dụng Thiobacillus sp. vào thời điểm này chỉ giới hạn tới các sản phẩm của sự thuỷ luyện kim sinh học của Cu, Zn, U, Ag và quá trình khử l-u huỳnh bằng kỹ thuật sinh học của than đá. Các mô hình kinh tế khả thi để ngâm chiết sinh học các kim loại nặng từ các quặng là sự ngâm chiết chất đống của các quặng có giá trị thấp, tính tan thấp và các mỏ hầm lò sâu.
Ng-ời ta thấy có sự đóng lớp của quá trình ngâm chiết sinh học để tách các kim loại từ bùn thải. Do các kim loại nặng có mặt trong bùn từ ph-ơng pháp xử lý n-ớc thải kỵ khí tồn tại ở dạng khử, hầu hết ở dạng sunfua. Dạng này có thể ảnh h-ởng trực tiếp đến khả năng hoà tan của vi khuẩn (phản ứng 3). Quá trình này sử dụng Fe (II) nh- là cơ chất thêm vào. Các lò phản ứng thoát khí và các hệ thống sử dụng sinh khối cố định đ-ợc biết tới nh- là cấu hình lò phản ứng tốt nhất. Ng-ời ta thấy hiệu quả của sự tách làm tăng thêm khả năng xử lý chất thải trong nông nghiệp.
Hiện nay, ch-a có ứng dụng thực tế nào cho quá trình ngâm chiết sinh học đối với việc xử lý các loại đất ô nhiễm. Tuy nhiên có một số nghiên cứu cho thấy có khả năng ứng dụng vào thực tế.
Phun Bơm
Đất ô nhiễm
Cách ly Hệ thống tiêu n-ớc
Quá trình tái sinh lại chất lỏng
Hình 3.8. Hệ thống ngâm chiết để tách các chất ô nhiễm ra khỏi đất
b/ Ph-ơng pháp tách tại chỗ các kim loại nặng bằng thực vật:
Các kim loại nặng không phải là thành phần chủ yếu của thực vật, chỉ có một số nguyên tố là cần thiết cho sự phát triển của thực vật ở hàm l-ợng nhỏ. Tuy nhiên, một số loài cây có khả năng tập trung nồng độ lớn các KLN nh-: Cd, Zn, Cu, Pb, Ni,.. trong sinh khối. Một số loài tích tụ nhiều kim loại sống trong môi tr-ờng khí hậu ôn hoà ở Châu Âu nh-: Thlaspi, Alyssum, Urtica, Chenopodium.
Để tách kim loại từ đất ô nhiễm, cây đ-ợc trồng ở các khu vực ô nhiễm d-ới các điều kiện tốt nhất cần cho sự hút thu cao nhất ở các chồi hoặc các phần có thể thu hoạch đ-ợc. Theo đó ng-ời ta có thể thu đ-ợc sinh khối và sử dụng một số các kỹ thuật khác để có thể tách các kim loại từ các sinh khối. Tuy nhiên hiện vẫn còn có nhiều tranh cãi về kỹ thuật này vì trên giả định số l-ợng cố định các kim loại đ-ợc tích tụ bởi cây trồng trong quá trình xử lý theo chu kỳ với việc thay đổi nồng độ kim loại và khả năng điều tiết trong đất. Việc giả định này không th-ờng xuyên phù hợp.
Khả năng sử dụng thực vật để xử lý đất ô nhiễm các kim loại nặng cần đ-ợc tính đến. Sự tích tụ kim loại nặng vào thực vật cũng cần đ-ợc xem xét nh- là ph-ơng pháp xử lý gián tiếp ở phạm vi rộng. Việc kết hợp của ph-ơng pháp làm sạch đất này với các sản phẩm sinh khối cho các mục đích công nghiệp riêng biệt (các sản phẩm tinh dầu, sợi, ...) cũng cần đ-ợc xem xét. C-ờng độ của quá trình làm sạch đ-ợc quyết định bởi một số sự sắp xếp với một quy mô thấp hơn c-ờng độ bất kỳ nào đó ở các quá trình bên ngoài. Tuy nhiên, các kỹ thuật này phụ thuộc vào các thay đổi có thể làm sạch đất ô nhiễm các kim loại có nguồn gốc phân tán.