Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ở vi tảo

4. Bố cục luận văn

1.5.Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ở vi tảo

Vi tảo có thể loại bỏ các ion kim loại nặng bằng cách hấp thụ sinh học hoặc hấp phụ cùng với quá trình hấp thu trao đổi chất trong quá trình nuôi cấy [25], [31]. Thực chất, khả năng hấp thụ KLN của vi tảo xảy ra theo hai giai đoạn: (1) Loại bỏ kim loại ban đầu (thụ động) nhanh chóng, xảy ra tại bề mặt tế bào (nơi các ion kim loại hấp thụ qua các tương tác tĩnh điện đến các nhóm chức năng của thành tế bào), (2) Loại bỏ kim loại ban đầu (chủ động) chậm, xảy ra bên trong tế bào, liên quan đến vận chuyển các cation kim loại qua màng tế bào vào tế bào chất, với sự gắn kết sau với các hợp chất nội bào [19]. Giai đoạn đầu tiên xảy ra ở cả tế bào sống và không sống, trong khi đó giai đoạn hai chỉ diễn ra ở những tế bào sống [68]. Theo nghiên cứu của Garnham và cộng sự thì việc loại bỏ ba kim loại (Zn, Co và Mn) bằng Chlorella salina và thấy

rằng sự hấp thu KLN theo 2 giai đoạn. Giai đoạn ban đầu của sự hấp thụ sinh học là độc lập với sự trao đổi chất, ánh sáng, nhiệt độ hoặc sự hiện diện của các chất ức chế chuyển hóa. Một giai đoạn hấp thu chậm hơn (giai đoạn 2) là phụ thuộc vào sự trao đổi chất và các yếu tố phi sinh học khác. Đối với ba kim loại đó, phân tích ngăn tế bào chỉ ra rằng các liên kết chủ yếu với các thành phần nội bào và với chính thành tế bào [32]. Khả năng hấp thụ KLN của vi tảo phụ thuộc vào thành phần bề mặt tế bào và được thúc đẩy bởi sự hiện diện của các nhóm chức tích điện âm, kết hợp với thành phần hóa học của dung dịch bên ngoài [19].

1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kim loại nặng

Mặc dù các tế bào vi tảo có một số cơ chế tự bảo vệ để tồn tại trong môi trường chứa kim loại nhưng các yếu tố khác nhau cũng ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng. Nói chính xác, độc tính của KLN đối với sinh vật dưới nước có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sinh học và phi sinh học. Các yếu tố sinh học bao gồm: Kích thước, giai đoạn sống, loài, diện tích bề mặt, tùy thuộc vào sự phân chia của vi tảo và dinh dưỡng trong quá trình sống. Các yếu tố phi sinh học bao gồm kích thước ion, trọng lượng nguyên tử hoặc khả năng khử của kim loại, các chất hữu cơ, pH, nhiệt độ, độ mặn, độ cứng [27], [72]. Không phân biệt bản chất của tế bào, tương tác kim loại, sự hấp thụ kim loại của vi tảo ảnh hưởng bởi một số thông số chẳng hạn như nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại ban đầu sự hiện diện của các kim loại khác, nồng độ sinh khối [19]. Ngoài ra, một điều quan trọng cần lưu ý là sự hiện diện của axit amin, chất hữu cơ, axit humic, axit fulvic và EDTA có thể tạo phức với các ion KLN và khiến chúng không còn khả dụng. Hơn nữa, nước cứng cũng được biết đến là làm giảm độc tính KLN. Ngược lại, sự hiện diện của một số ion như Ca, Mg, P có thể làm giảm độc tính kim loại [48].

1.6.1. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng

+ Loài vi tảo

Khả năng xử lý KLN ở mỗi loại tảo là khác nhau. Ví dụ, theo nghiên cứu của Monterio báo cáo ảnh hưởng của Cd đến sinh trưởng của Scenedesmus obliquus và

Desmodesmus pleiomorphus tương ứng với giá trị EC50 = 0,058 là 1,92 mg/l [18]. Các loài vi tảo thuộc cùng một chi có thể có khả năng hấp phụ khác nhau như C. miniata, C. vulgaris được nghiên cứu để loại bỏ các KLN hóa trị hai (Hg, Cd, Pb, Ni, Cu và Zn), trong khi các KLN hóa trị ba (Fe và Cr) được loại bỏ bởi C. vulgaris và

Spirulina platensis.

+ Sinh khối vi tảo

Một số tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc tăng sinh khối để loại bỏ kim loại. Quan sát lượng KLN được loại bỏ đã được cải thiện rõ ràng bằng cách tăng nồng

độ sinh khối điều này có thể giải thích là vì khi tăng nồng độ sinh khối sẽ làm tăng các liên kết kim loại có sẵn. Ngược lại, trong một vài trường hợp, việc loại bỏ kim loại giảm thường là ở mức sinh khối rất cao. Điều này có thể giải thích là do khi mật độ tế bào quá cao làm giảm diện tích bề mặt cho sự hấp phụ vì khoảng cách giữa các vị trí hấp phụ trên bề mặt vi tảo giảm trên cùng một đơn vị thể tích [25], [73]. Bishnoi (2004) cho thấy hiệu suất xử lý kim loại Cu cao nhất đạt 85% khi sử dụng 0,5g/l sinh khối vi tảo. Tuy nhiên khi tăng khối lượng sinh khối vượt quá 0,5 g/l thì hiệu suất sẽ giảm từ 85% xuống 58% [73]. Theo Gong (2005) cho thấy hiệu suất loại bỏ Pb2+ đạt từ 24% với sinh khối 0,1g g/l sẽ tăng đến 84% với sinh khối 2,0 g/l. Tuy nhiên khi sử dụng sinh khối vi tảo vượt quá 2,0 g/l để loại bỏ kim loại nặng thì hiệu suất xử lý bị giảm xuống [3]. Vì vậy, việc tăng sinh khối chỉ tối ưu ở một mức độ nhất định để cho sự hấp phụ KLN tốt nhất [70].

+ Kích thước của vi tảo

Kích thước của sinh vật được biết là có ảnh hưởng quan trọng đến độ nhảy cảm của nó với độc tính kim loại. Kích thước là một yếu tố quan trọng của vi tảo vì thành phần sinh hóa, quá trình trao đổi chất, tăng trưởng và chết của chúng, tất cả đều phụ thuộc vào kích thước. Các loài vi tảo nhỏ có hiệu quả cao hơn do tốc độ quang hợp, tốc độ tăng trưởng cao hơn và cũng như là sự vận chuyển chất dinh dưỡng nhanh hơn trên một đơn vị sinh khối [28]. Các loài vi tảo nhỏ có tỷ lệ bề mặt so với thể tích lớn nhất thường có hiệu quả nhất trong việc cô lập kim loại [8]. Ví dụ: tế bào nhỏ (với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn) được báo cáo là nhạy cảm với Cu so với các loài lớn hơn [32]. Trong một nghiên cứu so sánh giữa hai loài Micromonas pusilla và Minutocellus polymorphus trong đó Micromonas pusilla có diện tích bề mặt nhỏ hơn một nữa so với Minutocellus polymorphus. Kết quả chỉ ra rằng loài Micromonas pusilla nhạy cảm với Cu2+ hơn Minutocellus polymorphus [55].

1.6.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến việc loại bỏ kim loại nặng

- Yếu tố pH

pH có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan và độc tính của KLN trong nước, nó có lẽ là thông số quan trọng nhất ảnh hưởng hấp phụ kim loại bằng sinh khối[40], [61], [69]. Nó ảnh hưởng đến sự liên kết của kim loại với vi tảo. Ở pH thấp thành tế bào liên kết chặt chẽ với các ion H3O+ tạo ra lực đẩy làm hạn chế sự liên kết của các cation KLN. Khi pH tăng lên các nhóm chức như carboxyl, phosphate, imidazole, amino,… những nhóm này tích điện âm sẽ hút các cation KLN thông qua quá trình hấp phụ sinh học trên bề mặt tế bào [52]. Theo Monterio cũng cho rằng ở mức pH thấp các nhóm chức liên kết với các ion H+ (vì ion H+ linh động hơn so với các cation KLN) do đó làm cản trở các cation KLN liên kết. Họ tuyên bố rằng khi độ pH cao các điện tích âm tăng và

điều này tạo điều kiện gắn kết với các cation kim loại được nâng cao. Tóm lại, khi pH giảm bề mặt tế bào trở nên nhiều điện tích dương làm giảm sức hút giữa sinh khối và ion kim loại. Do đó, khi pH cao hơn dẫn đến bề mặt được tích điện âm hơn làm tăng khả năng gắn kết các cation kim loại trên bề mặt [19]. Theo nghiên cứu của Bishnoi (2004) trên vi tảo Spirogyra ở mức pH từ 1 đến 10. Cho thấy sự gia tăng hiệu suất loại bỏ kim loại khi giá trị pH tăng từ 31% đến 86% [3]. Hơn nữa, khi pH nâng lên khả năng liên kết của KLN (Cu, Cd, Zn) của vi tảo Chroococcus paris đã được báo cáo là tăng [65]. Nghiên cứu của Hargreaves (1976) ở giá trị pH cao độc tính Zn đã được báo cáo là giảm trong tảo Hormidium sp. [41]. Một số nhóm chức có sẵn để liên kết cation kim loại ở các phạm vi pH 2 – 5 các nhóm carboxyl chiếm ưu thế, nhưng ở pH 5 – 9 các nhóm phosphate cao và pH 9 – 12 các nhóm carboxyl, phosphate và hydroxyl (hoặc amin) [19], [43]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của độ pH trên độc tính của KLN rất phức tạp và chủ yếu phụ thuộc vào loại kim loại.

- Yếu tố nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng đối với sự hấp thụ ion kim loại. Chúng bao gồm sự ổn định của kim loại, phối tử và phức chất phối tử cũng như độ hòa tan của các ion kim loại. Nó ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành kim loại, bởi vì hầu hết các tốc độ phản ứng hóa học là rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Nhiệt độ cao dẫn đến độ hòa tan lớn hơn của các ion kim loại trong dung dịch và do đó làm giảm sự hấp thụ sinh học của các ion kim loại [63].

- Yếu tố ánh sáng

Chất lượng quang phổ và chu kỳ quang có ảnh hưởng, quyết định đến sinh trưởng của tảo.

Chlorella đạt được khả năng sinh tổng hợp cao nhất khi chiếu ánh sáng liên tục và ít bị chi phối bởi chu kỳ sáng tối.

- Yếu tố hóa trị của kim loại

Sự liên kết của cation kim loại lên vi tảo phụ thuộc vào hình thức của chúng và tích điện trong dung dịch phụ thuộc vào pH [39]. Pagnanelli đã báo cáo một số ảnh hưởng của các hóa trị kim loại đến sự hấp phụ bởi Sphaerotilus natans [10]. Khả năng hấp phụ của Spirulina sp. với Cr3+ và Cr6+ lần lượt là 304 mg/g và 333 mg/g cho thấy cùng một loại vi tảo nhưng với mỗi hóa trị khác thì khả năng xử lý của vi tảo là khác nhau [29]. Mặc dù thực tế là kim loại có nhiều dạng hóa trị khác nhau (các ion tự do, phức chất với các phối tử vô cơ/ hữu cơ…) trong nước thải, trong đó ion KLN tự do trong là dạng độc hại nhất đối với các sinh vật sống [36].

1.7. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm

Theo Hội hóa học Việt Nam, Ngành dệt nhuộm sử dụng một lượng nước thải lớn để sản xuất và đồng thời thải ra một lượng nước thải đáng kể cho môi trường. Nhắc đến nước thải ngành dệt nhuộm là một trong những loại nước thải ô nhiễm nặng, hàm lượng các chất hữu cơ cao, khó phân hủy, pH dao động từ 9- 12 do thành phần các chất tẩy. Trong quá trình sản xuất có rất nhiều hóa chất độc hại được sử dụng để sản xuất tạo màu: như là phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo môi trường, tinh bột, men, chất ôxy hoá….Các chất này thường có chứa các ion kim loại hòa tan, hay kim loại nặng rất khó phân hủy trong môi trường, có thể gây ô nhiễm môi trường trầm trọng trong thời gian dài. Nếu chưa được xử lý và xử lý chưa đạt QCVN mà thải ra ngoài thì các hóa chất này có thể giết chết vi sinh vật xung quanh, làm chết cá và các loại động vật sống dưới nước, các chất độc này còn có thể thấm vào đất, tồn tại lâu dài và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm và bên cạnh đó còn ảnh hưởng đến đời sống của con người. Ngoài ra, nước thải dệt nhuộm thường có độ màu rất lớn và thay đổi thường xuyên tùy loại thuốc nhuộm, và có nhiệt độ cao nên cần phải được xử lý triệt để đễ trước khi thải ra, tránh gây ô nhiễm môi trường.

Trong quá trình sản xuất của ngành dệt nhuộm thì sử dụng nước nhiều và nguồn phát sinh ra nước thải ngành dệt nhuộm ở rất nhiều công đoạn khác nhau, thay đổi theo từng loại sản phẩm. Nhưng đặc trưng của loại nước thải này có pH, nhiệt độ, COD cao và độ màu tương đối cao. Do vậy cần có biện pháp hợp lý để quản lý được lượng nước thải này triệt để hơn.

Nước thải dệt nhuộm sẽ khác nhau khi sử dụng các loại nguyên liệu khác nhau. Chẳng hạn như len và cotton thô sẽ thải ra chất bẩn tự nhiên của sợi. Nước thải này có độ màu, độ kiềm, BOD và chất lơ lửng (SS) cao. Ở loại nguyên liệu sợi tổng hợp, nguồn gây ô nhiễm chính là hóa học do các loại hóa chất sử dụng trong giai đoạn tẩy và nhuộm.

Hóa chất sử dụng: hồ tinh bột, H2SO4, CH3COOH, NaOH, NaOCL, H2O2, Na2CO3, Na2SO3 …các loại thuốc nhuộm , các chất trơ, chất ngấm, chất cầm màu, chất tẩy giặt.

Thành phần nước thải phụ thuộc vào: đặc tính của vật liệu nhuộm, bản chất của thuốc nhuộm, các chất phụ trợ và các hóa chất khác được sử dụng. Nguồn nước thải bao gồm từ các công đoạn chuẩn bị sợi, chuẩn bị vải, nhuộm và hoàn tất (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Nước thải dệt nhuộm nhìn chung rất phức tạp và đa dạng, đã có hàng trăm loại hóa chất đặc trưng như phẩm nhuộm, chất hoạt động bề mặt, chất điện ly, chất tạo môi trường, tinh bột men, chất oxy hóa…được đưa vào sử dụng. Trong quá trình sản xuất, lượng nước thải ra 12-300 m3/tấn vải, chủ yếu từ công đoạn nhuộm và nấu tẩy. Nước

thải dệt nhuộm ô nhiễm nặng trong môi trường sống như độ màu, pH, chất lơ lửng, BOD, COD, nhiệt độ đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép xả vào nguồn tiếp nhận.

Nước thải dệt nhuộm gây ô nhiễm cho nguồn xả chủ yếu do độ đục, độ màu, lượng chất hữu cơ và pH cao. Nhiều công trình nghiên cứu trước đây cho thấy keo tụ bằng phèn nhôm có thể khử màu hiệu quả 50-90%, đặc biệt hiệu quả cao với loại thuốc nhuộm sulfur.

Các loại thuốc nhuộm được đặc biệt quan tâm vì chúng thường là nguồn sinh ra các kim loại, muối và màu trong nước thải. Các chất hồ vải với lượng BOD, COD cao và các chất hoạt động bề mặt là nguyên nhân chính gây ra tính độc cho thuỷ sinh của nước thải dệt nhuộm.

Do công nghệ sản xuất sử dụng nhiều nguồn nguyên liệu, hóa chất khác nhau nên thành phần ô nhiễm của nước thải ngành dệt nhuộm khá phức tạp và không ổn định.

Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm là sự dao động rất lớn cả về lưu lượng lẫn tải lượng các chất ô nhiễm, nó thay đổi theo mùa, theo mặt hàng sản xuất và chất lượng của sản phẩm [42].

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Vi tảo C. vulgaris được phân lập và lưu giữ ở phòng thí nghiệm Công nghệ Tảo Khoa Sinh – Môi trường, trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng. Được nuôi trong môi trường Bold's Basal Medium [75], nhiệt độ 25 ± 10 C, cường độ chiếu sáng 2000

Lux.

2.2. Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của vi tảo C. vulgaris.

- Đánh giá ảnh hưởng của mật độ tế bào vi tảo C. vulgaris đến khả năng xử lý Cr.

- Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ Crom ban đầu đến khả năng xử lý của vi tảo

C. vulgaris

- Xây dựng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir trên sinh khối vi tảo C. vulgaris.

2.3. Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm

- Đề tài này chỉ nghiên cứu, khảo sát khả năng xử lý Cr trong nước thải dệt nhuộm chiếu.

2.4. Phương pháp nghiên cứu

2.4.1. Bố trí thí nghiệm

- Thí nghiệm được bố trí bằng nước thải nhuộm chiếu được lấy từ làng nghề

+ Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của pH ban đầu

Mục đích: Đánh giá ảnh hưởng của pH đến khả năng xử lý Cr của C. vulgaris.

Cách tiến hành: Thí nghiệm được tiến hành ở nồng độ Cr ban đầu là 70 mg/l

và mật độ ban đầu là 15 x 106 tế bào/ml với giá trị pH ban đầu là 5.0, 6.0 và 7.0.

Bố trí 3 nghiệm thức như sau: