THẢO LUẬN CHUNG

14 chu kỳ: 94C – 40 giây, 55C

3.5. THẢO LUẬN CHUNG

Xử lý AMD bằng công nghệ bể phản ứng sinh học khử sulfate đã đƣợc chứng minh là có hiệu quả cao và thân thiện với hệ sinh thái (Ayangbenro et al., 2018).

Trong điều kiện mơi trƣờng AMD có pH rất thấp và nồng độ kim loại nặng cao, SRB cần thời gian dài để thích nghi, sinh trƣởng và thực hiện q trình khử sulfate nhằm tăng pH và loại kim loại nặng (Doshi, 2006). Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung nguồn SRB chịu axít vào bể phản ứng sinh học khử sulfate sẽ giúp q trình khử sulfate diễn ra tích cực hơn (Johnson, Hallberg, 2005). Tuy nhiên, với đặc tính tự nhiên là tạo hai sản phẩm sulfide và bicacbonat trong q trình khử sulfate, các lồi SRB chịu hoặc ƣa axít khơng phổ biến trong tự nhiên (Rabus et al., 2013). Cho tới nay mới chỉ có 6 chủng SRB đƣợc cơng bố có khả năng chịu pH thấp, trong đó 4 chủng thuộc chi Desulfosporosinus (Dsp. acidiphilus SJ4(T), Dsp. acididurans D,

Dsp. acididurans E, Dsp. acididurans M1T) gram dƣơng và có khả năng tạo bào tử (Alazard et al., 2010; Sánchez-Andrea et al., 2015). Hai chủng còn lại thuộc chi Desulfovibiro (Desulfovibrio sp. TomC, Desulfovibrio sp. DV) gram âm, không sinh

bào tử (Karnachuk et al., 2015; Kovaliova et al., 2017). Cả 6 chủng này đều đƣợc

phân lập từ bùn thải axít của các mỏ khai thác khoáng sản và đƣợc đánh giá là có tiềm năng cao trong xử lý AMD nhờ khả năng thích nghi cao với điều kiện pH thấp và nồng độ cao của các kim loại nặng.

Để tìm kiếm SRB chịu pH thấp cho ứng dụng trong xử lý AMD, nhóm nghiên cứu đã sử dụng bùn axít từ mỏ khai thác khống sản để làm giàu. Tuy nhiên, quá trình làm giàu đƣợc tiến hành ở pH 5, không quá khắc nghiệt nhƣ mơi trƣờng AMD trong thực tế nhằm tích lũy đa dạng SRB. Mặc dù vậy điều kiện này tỏ ra là tƣơng đối khắc nghiệt với SRB, dẫn đến chỉ có 2 nhóm vi khuẩn chính thuộc chi

Desulfovibrio đƣợc tích lũy. Hai chủng S4, S10 đƣợc phân lập thành công từ mẫu

làm giàu cũng là các đại diện cho hai nhóm vi khuẩn chính này. Tuy nhiên, trong hai chủng phân lập đƣợc chỉ có chủng S4 có khả năng chịu pH thấp (tới pH 2), trong khi

110

chủng S10 đƣợc làm giàu trong cùng điều kiện lại khơng có đặc tính này. Chủng S4 là chủng thứ 3 thuộc chi Desulfovibrio (lớp -proteobacteria) có khả năng chịu pH

thấp đƣợc công bố cho tới nay. Đáng chú ý là hoạt tính khử sulfate của chủng S4 ở pH thấp khi sử dụng hai loại chất cho điện tử phân ly (lactate) và không phân ly (ethanol) là tƣơng đƣơng nhau, giúp cho chủng S4 thích nghi với đa dạng chất cho điện tử để khử sulfate, nhờ đó cạnh tranh tốt hơn trong mơi trƣờng AMD có hàm lƣợng chất hữu cơ rất thấp (COD thƣờng < 10 mg/L O2) (Sato et al., 2018). Trong xử lý AMD, việc bổ sung thêm cơ chất hữu cơ cho SRB là cần thiết, tuy nhiên cần đƣợc kiểm soát để đảm bảo hiệu suất và giá thành của quá trình xử lý (Kefeni et al., 2017). Sử dụng các phụ phẩm nông nghiệp làm nguồn cơ chất trong bể khử sulfate là giải pháp làm giảm giá thành cơng nghệ. Trong q trình phân hủy các cơ chất ligno- cellulose, hỗn hợp nhiều sản phẩm hữu cơ phân tử nhỏ thuộc nhóm khơng phân ly (alcohol) và phân ly (axit béo bay hơi, VFA) sẽ đƣợc tạo ra, làm nguồn điện tử và cacbon cho SRB. Do vậy, SRB với khả năng sử dụng cơ chất thuộc cả hai nhóm phân ly và không phân ly nhƣ chủng S4 sẽ giúp chủng thích nghi nhanh với mơi trƣờng AMD, đặc biệt ở giai đoạn khởi đầu.

Chủng S4 có khả năng chịu nồng độ cao của nhiều kim loại nặng khác nhau, kể cả các kim loại có độc tính cao với tế bào nhƣ Cu2+ và Zn2+. Khả năng chịu pH thấp và kim loại nặng của chủng SRB gram âm S4 đƣợc so sánh tƣơng đƣơng với chủng SRB gram dƣơng có khả năng tạo bào tử Desulfosporosinus acididurans M1T (Nồng độ Fe2+

lên tới 2800 mg/L và Cu2+ 64 mg/L) (Sánchez-Andrea et al., 2015).

Ngoài khả năng chịu nồng độ cao kim loại nặng, chủng S4 cịn có khả năng khử arsenate. Khi sinh trƣởng trong mơi trƣờng có mặt cả sulfate và arsenate, chủng này tạo ra hai sản phẩm trao đổi chất chính là sulfide và arsenite, dễ dàng kết hợp với nhau tạo kết tủa As2S3 màu vàng, nhờ đó cả hai dạng asen độc hại trong mơi trƣờng AMD cùng đƣợc loại. Ô nhiễm asen trong đất hoặc nƣớc có thể đƣợc xử lý bằng các biện pháp lý, hóa nhƣ hấp phụ bằng các loại vật liệu đặc biệt, bất hoạt hay đơng tụ và lắng lọc, thƣờng có giá thành cao, khơng triệt để và có thể gây ơ nhiễm thứ cấp (Lim

111

điểm về giá thành và tính thân thiện với môi trƣờng nhƣ: (i) hấp thụ sinh học (bằng thực vật và hệ vi sinh vật có khả năng hấp thụ asen), (ii) oxy hóa sinh học (bằng vi sinh vật oxy hóa arsenite As3+ thành arsenate As5+), (iii) methyl hóa (nhờ vi sinh vật gắn nhóm methyl vào hợp chất asen, làm giảm tính độc), (iv) khử sinh học (SRB khử arsenate thành arsenite và kết tủa cùng với sulfide dƣới dạng As2S3) (Macy et al.,

2000; Li, Krumholz, 2007; Lim et al., 2014). Trong các dạng công nghệ xử lý asen sinh học kể trên, ba cơng nghệ đầu có nhƣợc điểm chung là khơng triệt để, địi hỏi thời gian dài, riêng công nghệ khử sinh học nhờ SRB (nhƣ chủng S4) không mắc phải những nhƣợc điểm này. Bên cạnh đó, khử sinh học asen nhờ SRB cịn có một số ƣu điểm khác nữa nhƣ khơng tiêu tốn năng lƣợng, khơng cần sử dụng hóa chất trợ lắng và có thể xử lý triệt để các dạng asen ô nhiễm trong môi trƣờng (Lim et al.,

2014; Serrano, Leiva; 2017).

Việc SRB chịu axít (chủng S4) và SRB khơng chịu axít (chủng S10) cùng đƣợc tích lũy trong bƣớc làm giàu ở pH thấp là minh chứng gián tiếp về vai trò của SRB chịu axít tiên phong khử sulfate trong môi trƣờng AMD. Có thể đƣa ra giả thuyết rằng SRB chịu axít nhƣ chủng S4 đƣợc sinh trƣởng đầu tiên trong nuôi cấy làm giàu, khử sulfate, tạo sulfide và bicacbonat, do đó làm tăng pH trong môi trƣờng. Đồng thời, sulfide đƣợc tạo ra kết tủa với kim loại, làm giảm nồng độ của kim loại trong AMD, tạo điều kiện thuận lợi cho các SRB khác sinh trƣởng, chẳng hạn nhƣ chủng S10 khơng có khả năng chịu pH thấp và nồng độ cao kim loại nặng. Giả thuyết này đã đƣợc chứng minh bằng thực nghiệm khi kết hợp nuôi cấy chủng S4 với chủng SRB trung tính thơng thƣờng SR4H hồn tồn khơng có khả năng khử sulfate ở pH thấp và khơng có mối liên hệ nào với môi trƣờng AMD.

Trong các hệ thống xử lý AMD, việc khởi động quá trình xử lý sẽ phụ thuộc rất nhiều vào các lồi SRB chịu axít và chịu kim loại nặng nhƣ chủng S4. Rõ ràng, việc thích nghi và thực hiện sớm quá trình khử sulfate của các SRB này sẽ giúp thúc đẩy nhanh quá trình xử lý AMD. Một khi chúng bắt đầu cƣ trú và khử sulfate ở điều kiện axít, các yếu tố khắc nghiệt trong mơi trƣờng nhƣ pH thấp và nồng độ cao của các ion kim loại nặng sẽ bị giảm, tạo điều kiện phù hợp hơn cho các SRB khác sinh

112

trƣởng. Trong thực tế, giai đoạn khởi động của quá trình xử lý AMD thƣờng mất thời gian do thiếu SRB chịu axít nhƣ vậy (Doshi, 2006). Quá trình khởi động này thƣờng kéo dài từ vài tuần (ví dụ nhƣ trong nghiên cứu của Vitor và công sự là 21 ngày) đến vài tháng (nhƣ trong nghiên cứu của Zang và cộng sự là 136 ngày) (Vitor

et al., 2015; Zang et al., 2011). Nhƣ vậy, chủng S4 chịu axít thu đƣợc trong nghiên

cứu này sẽ đóng vai trị là nguồn SRB để tăng tốc quá trình xử lý AMD trong bể phản ứng khử sulfate sinh học.

Chủng S4 với nhiều đặc tính có lợi trong xử lý AMD đƣợc nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học bằng công nghệ vi bao trong alginate. Với công nghệ này, mật độ tế bào và hoạt tính khử sulfate của chủng S4 đƣợc duy trì ổn định trong 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ thƣờng, trong điều kiện kỵ khí hồn tồn. Chế phẩm sinh học SRA chứa chủng S4 với mật độ tế bào cao (108

MPN/hạt) và hoạt tính ổn định trong thời gian tƣơng đối dài đƣợc bổ sung vào bể phản ứng khử sulfate với tỷ lệ rất nhỏ (1‰), cho phép vận chuyển và sử dụng một cách chủ động, linh hoạt, ngay cả đối với các vị trí khai thác có địa hình hiểm trở. Với sự góp mặt của chế phẩm SRA, cơng nghệ xử lý AMD bằng bể sinh học khử sulfate có thể triển khai ở Việt Nam theo mơ hình module, có tính linh hoạt cao. Khác với hình thức xử lý tập trung quy mô lớn đƣợc áp dụng phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới, hình thức cơng nghệ xử lý AMD theo module phù hợp hơn ở Việt Nam, dễ thích ứng với nhiều quy mơ khai thác và chế biến khoáng sản nhỏ lẻ khác nhau, cũng nhƣ thành phần AMD dao động. Ngoài tác dụng khởi động nhanh, chế phẩm SRA còn hữu dụng trong việc khắc phục sự cố bất thƣờng xảy ra đối với các bể sinh học khử sulfate trong thực tế. Các yếu tố thời tiết, lƣu lƣợng thải hay biến động lớn về thành phần AMD có thể ảnh hƣởng đến hoạt động của hệ thống khử sulfate sinh học xử lý AMD, đặc biệt khi làm việc ở quy mô nhỏ (Doshi, 2006). Trong các tình huống này, chế phẩm SRA có thể giúp khởi động lại bể khử sulfate và khôi phục hoạt động của hệ thống xử lý.

Nhƣ vậy, công nghệ xử lý AMD sử dụng nguồn SRB tiềm năng ở dạng chế phẩm SRA đƣợc chế tạo từ những nguyên vật liệu rẻ tiền, an toàn, cùng với cách vận hành đơn giản, linh hoạt sẽ là một giải pháp hiệu quả có ƣu điểm về mặt kinh tế, xã

113

hội và môi trƣờng trong xử lý nƣớc thải nhiễm kim loại nặng từ các hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản ở Việt Nam (bao gồm các mỏ kim loại, các cơ sở chế biến, các làng nghề tái chế kim loại…).

Các bƣớc nghiên cứu để tìm kiếm chủng SRB D. oxamicus S4 có các đặc tính sinh học phù hợp cho việc hỗ trợ công nghệ bể sinh học khử sulfate xử lý AMD và tạo ra chế phẩm sinh học phục vụ triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế đƣợc tóm tắt tại hình 3.28.

Hình 3.28. Các bƣớc nghiên cứu đã thực hiện để tạo nguồn SRB cho ứng dụng trong xử lý

114

KẾT LUẬN