1.3. Phương pháp lên men phân hủy yếm khí trong xử lý bùn thải đô thị và rác thải hữu cơ
1.3.5. Sự chuyển hóa của kim loại nặng trong quá trình ổn định bùn thải đô thị bằng phương pháp lên mem yếm khí
Kim loại nặng là tác nhân gây ô nhiễm nguồn gốc vô cơ điển hình tồn tại trong bùn thải đô thị với hàm lƣợng cao. Các kim loại tồn tại trong bùn thải đô thị chủ yếu dưới dạng sunfua, cacbonat, các phức chất với phối tử hữu cơ, cặn, ôxít… Trong quá trình xử lý bùn thải sử dụng phương pháp yếm khí, sự thay đổi các điều kiện sinh hóa kéo theo sự chuyển hóa của các kim loại nặng trong quá trình xử lý. Trong quá trình xử lý bùn thải bằng phương pháp lên men yếm khí, biểu hiện dễ nhận thấy là sự tích tụ của hàm lƣợng kim loại trong sản phẩn sau xử lý và sự vận chuyển vào pha nước của kim loại nặng do thay đổi các điều kiện sinh hóa trong suốt quá trình xử lý phân hủy yếm khí.
Hiện nay, các nghiên cứu ít tập trung vào cơ chế vận chuyển kim loại nặng trong quá trình xử lý bùn thải đô thị bằng phương pháp lên men yếm khí.
Một số nghiên cứu tập trung vào việc tìm ra phương pháp tách kim loại nặng ra khỏi sinh khối sau xử lý dựa trên đặc điểm chuyển hóa của kim loại nặng trong quá trình xử lý.
1.3.5.1. Sự tích tụ của kim loại nặng
Phân hủy yếm khí trong quá trình xử lý bùn thải làm cho hàm lƣợng kim loại nặng tăng lên trong sinh khối sau xử lý. Sự tích tụ của hàm lƣợng kim loại nặng trong sản phẩm sau xử lý xuất phát từ sự phân hủy của các hợp chất hữu cơ và vô cơ với sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2, N2, H2S và một số khí khác.
Khi xác định hàm lượng kim loại nặng người ta thường dựa trên khối lượng khô, sự giảm khối lƣợng của các chất hữu cơ và vô cơ làm cho thành phần kim loại
nặng tăng lên. Trong nghiên cứu của tác giả (Chipasa., 2003)[30] đã chỉ ra rằng kim loại nào có hàm lượng càng thấp trong bùn thải trước khi phân hủy yếm khí sẽ có khả năng tích tụ cao hơn trong sản phẩm sau xử lý.
1.3.5.2. Sự vận chuyển của kim loại nặng
Trong quá trình phân hủy yếm khí, pH của hỗn hợp giảm xuống do sự tạo thành các axít hữu cơ. Sự hình thành các hợp chất hữu cơ khối lƣợng phân tử nhỏ có khả năng tạo phức trong quá trình thủy phân, hoạt động trao đổi chất của tập đoàn vi sinh vật…chính là các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận chuyển của kim loại nặng.
Đã có nhiều nghiên cứu đƣợc triển khai với mục tiêu tách một phần kim loại nặng ra khỏi bùn thải đô thị để hạn chế ảnh hưởng của chúng khi tái sử dụng bùn thải sau xử lý cho mục tiêu nông nghiệp. Các phương pháp được sử dụng để tách kim loại nặng ra khỏi bùn thải chủ yếu bao gồm: phương pháp sử dụng axít hữu cơ, sử dụng các chất có khả năng tạo phức và sử dụng sự hoạt động của vi sinh vật [14].
Sử dụng axít hữu cơ
Kết quả nghiên cứu sử dụng axít Citric và axít Oxalic tách kim loại ra khỏi bùn thải thoát nước đã chỉ ra rằng việc tăng cường hiệu quả tách Cu ra khỏi bùn đạt 70% đối với axít Citric và 60% với axít Oxalic. Hiệu quả tách Zn ra khỏi bùn đạt 90% đối với axít Citric và 70% đối với axít Oxalic trong môi trường pH
= 3 - 4. Khi sử dụng các axít hữu cơ để tách kim loại ra khỏi bùn thải thì axít Citric hiệu quả hơn axít Oxalic vì axít Oxalic có thể bị kết tủa dưới dạng Canxi oxalat khi đƣa vào hỗn hợp bùn. Ngoài ra axít Oxalic có nhóm Cacboxylic (là một tác nhân khử) nên dễ dàng bị ôxi hóa bởi ma trận các hợp chất hữu cơ tồn tại trong hỗn hợp bùn [14]. Trong giai đoạn hình thành axít, sự phân hủy các hợp chất hữu cơ là điều kiện thuận lợi cho kim loại nặng trở nên linh động hơn và hòa tan vào pha nước.
Sử dụng các phối tử tạo phức
Trong nghiên cứu (Lo & Chen.,1990)[69] đã sử dụng Etylen diamintetraaxetic axít (EDTA), Nitrilotriaxetic axít (NTA) để hòa tan kim loại
nặng trong bùn thải đô thị và công nghiệp tại Đài Loan. Thời gian lưu trong nghiên cứu là 4 h và tỷ lệ hóa chất là 2 mol EDTA/NTA/1mol kim loại nặng.
Hiệu suất tách loại kim loại nặng phụ thuộc vào bản chất của bùn thải. Đối với bùn thải đô thị, trật tự hiệu suất hòa tan của các kim loại là Pb>Cd>Zn>Ni>Cu>Cr. Đối với bùn thải công nghiệp trật tự này có sự thay đổi nhƣ sau: Cd>Ni>Pb>Cr>Zn>Cu. Việc trật tự các kim loại hòa tan thay đổi đối với các loại bùn thải khác nhau đã chứng tỏ dạng của kim loại nặng trong bùn thải ảnh hưởng đến hiệu suất tách loại của các tác nhân EDTA và NTA.
Trong quá trình phân hủy yếm khí bùn thải, việc hình thành nên các phối tử tạo phức từ sự phân hủy của ma trận chất hữu cơ là dễ xảy ra và do đó kim loại nặng có khả năng được hòa tan vào trong pha nước.
Hoà tan kim loại nặng do hoạt động của vi sinh vật
Hòa tan kim loại nặng sử dụng hoạt động của vi sinh vật là phương pháp dựa trên vi sinh vật để tách loại kim loại ra khỏi bùn thải. Sự linh động của kim loại nặng có đƣợc là nhờ các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật. Vi khuẩn tham gia vào quá trình tách kim loại nặng từ nguồn quặng đƣợc cho là các vi khuẩn dị dƣỡng. Thiobacillus ferrooxidans là một loài vi khuẩn điển hình trong nhóm vi khuẩn dị dƣỡng kể trên. Thiobacillus ferrooxidans có nhiều loại thích hợp với các điều kiện môi trường khác nhau. Thông thường loại hiếu khí thích hợp ở pH= 1,5 - 4, loại yếm khí tồn tại và phát triển ở pH trung tính. Các quặng hay bùn thải đều chứa các kim loại nặng dưới dạng sunfua (MS). Các vi khuẩn hiếu khí hoạt động ở môi trường axít tối ưu pH = 2 có thể đảm bảo việc ôxi hóa các hợp chất sunfua tạo thành axít Sunfuric. Cơ chế ôxi hóa này thường diễn ra theo hai cách, trực tiếp và gián tiếp nhƣ sau:
T. ferrooxidans
2FeSO4 + 0,5O2+H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O (1)
4Fe2(SO4)3 + 2MS +4H2O + 2O2 2M+ + 2SO42- +8FeSO4 + 4H2SO4 (2) Sự có mặt của kim loại dưới dạng sunfua khó tan sẽ bị hòa tan trong cơ chế trong phản ứng 1 và 2 [36].
Trong trường hợp không tồn tại sự có mặt của FeSO4 vi khuẩn T .ferrooxidans có thể oxi hóa trực tiếp các hợp chất sunfua của kim loại nặng thành hợp chất sunfat [101].
T. ferrooxidans T. thiooxidans MS + 2O2 M2+ +SO4
2- (3)
Khi bị ôxi hóa, hầu hết kim loại ở dạng sunfat đều tan vào nước dẫn đến kim loại bị tách khỏi quặng hoặc bùn thải. Việc xác định loại vi khuẩn hoạt động ôxi hóa các hợp chất sunfua trong quá trình phân hủy yếm khí bùn thải vẫn cần có những nghiên cứu cụ thể hơn nữa. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của tác giả (Nguyễn Minh Giảng et al., 2012)[1], đã phân lập và định danh đƣợc chủng vi khuẩn Allocromatium sp. có khả năng ôxi hóa sunfua trong điều kiện yếm khí và sử dụng CO2 làm tác nhân nhận điện tử.
Kết luận chương 1
Phần tổng quan đã đánh giá về tình hình bùn thải đô thị trên địa bàn thành phố Hà Nội cũng như tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về ổn định bùn thải đô thị bằng phương pháp lên men yếm khí nóng. Đã tổng kết về nguồn phát sinh kim loại nặng và PAHs vào bùn thải đô thị và sự chuyển hóa của chúng trong quá trình ổn định bùn thải bằng phương pháp lên men yếm khí.
Nghiên cứu về kim loại nặng và đặc biệt là PAHs đối với bùn thải đô thị tại Việt Nam còn rất hạn chế. Một số nghiên cứu mới chỉ tập trung vào xử lý phân bùn bể phốt. Chưa định hướng cụ thể trong nghiên cứu xử lý bùn thải từ các con sông tiếp nhận nước thải đô thị theo hướng loại bỏ chất ô nhiễm và tái sử dụng sản phẩm cho mục đích nông nghiệp.