Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 4: Xử lý sinh học chất thải - Lê Quốc Tuấn

Nội dung text: Bài giảng Công nghệ sinh học - Chương 4: Xử lý sinh học chất thải - Lê Quốc Tuấn

1. CHÖÔNG 4 Xöû lyù sinh hoïc chaát thaûi TS. Leâ Quoác Tuaán Khoa Moâi tröôøng vaø Taøi nguyeân Ñaïi hoïc Noâng Laâm TP. Hoà Chí Minh
2. Giôùi thieäu chung ™ Chaát gaây oâ nhieãm moâi tröôøng coù nguoàn goác khaùc nhau. ™ Coù theå tìm thaáy ôû caùc moâi tröôøng: bieån, cöûa soâng, hoà, ñaát. ™ Vieäc loaïi thaûi caùc chaát gaây oâ nhieãm töø nhöõng vuøng ñaõ bò oâ nhieãm ñöôïc goïi laø “Söûa chöõa sinh hoïc” (Bioremediation). ™ Söûa chöõa sinh hoïc ñöôïc thöïc hieän bôûi caùc vi sinh vaät vaø hoaït ñoäng cuûa chuùng. ™ Vieäc söûa chöõa sinh hoïc coù theå ñöôïc taêng cöôøng qua quaù trình cung caáp chaát dinh döôõng cho VSV hoaëc taêng cöôøng quaàn soá löôïng vi sinh vaät taïi vuøng caàn xöû lyù.
3. Hoà Haàm moû ïi tra âng Nöôùc möa No aët Khí thaûi eà m Thaûi töø øn b tra haàm moû aûy Ch Laéng neàn ñaùy Roø ræ, chaûy traøn Ñaäp áp Chì rôi xuoáng hoà ân la cho Baõi Chaát thaûi töø caùc nhaø maùy Ñaäp Thaønh phoá Baûi choân Chaûy Beán ñaäu laáp hoùa traøn thuyeàn chaát Beán caûng Khu xöû lyù buøn thaûi Baûi choân laáp cuõ Baõi boà laáp, choân trong moâi tröôøng chaát thaûi Baûi choân laáp chaát thaûi nguy haïi Vò trí xöû lyù buøn thaûi Giaøn khoan daàu Daàu traøn ngoaøi khôi Ñaïi Nguoàn goác cuûa chaát thaûi ñi vaøo döông Vò trí coù söï hieän dieän chaát gaây oâ nhieãm Buøn thaûi töø giaøn khoan
4. Chaát gaây oâ nhieãm moâi tröôøng ™ Voâ cô ™ Kim loaïi: Cd, Hg, Ag, Co, Pb, Cu, Cr, Fe ™ Chaát phoùng xaï, nitrate, nitrite, phosphate, Cyanide ™ Höõu cô ™ Phaân huûy sinh hoïc: nöôùc thaûi, buøn thaûi, chaát thaûi noâng nghieäp vaø cheá bieán ™ Chaát thaûi hoùa daàu: daàu, diesel, BTEX ™ Chaát thaûi toång hôïp: thuoác tröø saâu, dieät coû, HCHC coù halogen, hydrocarbon maïch voøng ™ Sinh hoïc: caùc maàm beänh (vi khuaån, virus) ™ Khí ™ Khí: SO2, CO2, NOx, methane ™ Caùc hôïp chaát höõu cô bay hôi, CFC, haït buïi
5. Chaát thaûi voâ cô ™ Kim loaïi vaø caùc hôïp chaát voâ cô khaùc thaûi vaøo moâi tröôøng töø caùc hoaït ñoäng khai thaùc moû, luyeän kim, cheá taïo pin, troàng troït ™ Nhieàu kim loaïi laø caàn thieát cho sinh vaät nhöng vôùi noàng ñoä cao thì coù theå trôû neân ñoäc ™ Kim loaïi ñöôïc haáp thu vaø tích luõy trong chuoãi thöùc aên sinh thaùi vôùi noàng ñoä cao trong quaù trình phaùt taùn sinh hoïc ™ Kim loaïi khoâng theå bò phaân huûy bôûi caùc quaù trình hoùa hoïc hoaëc sinh hoïc, do ñoù vieäc xöû lyù kim loaïi phaûi laø quaù trình taäp trung (ngaên caûn quaù trình phaùt taùn), ñoùng goùi hoaëc taùi cheá
6. Nguoàn goác vaø aûnh höôûng cuûa caùc chaát gaây oâ nhieãm Chaát thaûi voâ cô Nguoàn goác AÛnh höôûng Arsenic Luyeän kim, thuoác tröø saâu Ñoäc Buïi amian Sôn nhaø, queùt voâi Ung thö phoåi Cadmium Saûn xuaát pin Ung thö thaän Chì Saûn xuaát pin, acquy, xaêng Maát caân baèng heä thoáng thaàn kinh Thuûy ngaân Saûn xuaát chlor-alkali, thuoác Maát caân baèng heä thoáng tröø saâu, dieät naám thaàn kinh, cheát Nitrate/Nitrite Chaûy traøn beà maët, baûo quaûn Ung thö, thieáu maùu thòt Ñoát nhieân lieäu Gaây boûng, möa acid SO2 Phosphate Hoaït ñoäng noâng nghieäp Gaây phuù döôõng
7. Caùcböôùcxöûlyù kim loaïi Kim loaïi trong Nöôùc moû, nöôùc thaûi caùc nhaø nöôùc thaûi maùy, nöôùc trong moâi tröôøng Haáp thu Chaát haáp thu voâ cô, Keát tuûa höõu cô vaø sinh hoïc Taùch chieát Buøn hoaït tính Vi sinh vaät vaø sinh khoái Phuïc hoài kim loaïi Loaïi thaûi Arthrobacter Tannin (thuûy Bacillus phaân ñöôïc, söû duïng ñöôïc kim loaïi ñoäc coâ ñaëc) Taùi söû duïng taøi OÂ nhieãm Söû duïng Haït gel nguyeân moâi tröôøng hieäu quaû tannin
8. Haáp thu sinh hoïc ™ Caùc vaät lieäu sinh hoïc coù theå haáp thu nhieàu kim loaïi khaùc nhau ™ Phaûn öùng cuûa teá baøo vi khuaån ñoái vôùi noàng ñoä cao cuûa kim loaïi coù theå laø moät trong caùc quaù trình sau: ™ Loaïi ra khoûi teá baøo ™ Laáy naêng löôïng töø kim loaïi ™ Coâ laäp noäi baøo bôûi caùc protein ™ Coâ laäp ngoaïi baøo baèng caùc polysaccharide treân maøng ™ Bieán ñoåi hoùa hoïc ™ Vieäc söû duïng vaät lieäu sinh hoïc ñeå xöû lyù kim loaïi thöôøng qua 2 daïng: ™ Qua quaù trình khöû ñoäc tính cuûa kim loaïi ™ Phuïc hoài caùc kim loaïi coù giaù trò cao
9. Cô cheá haáp thu sinh hoïc Beân ngoaøi maøng Haáp thu sinh hoïc Maøng ngoaøi Keânh Thaåm thaáu ion Maøng teá baøo Bôm ra Khöû Beân trong maøng Protein vaän chuyeån Thio Keát tuûa Caùc nhoùm chöùc naêng nein (OH-, S2-) Taïo phöùc hôïp vôùi Khoâng baøo nhoùm -SH
10. 1. Dòch chöùa kim loaïi 2. Chaûy gioït 3. Kieåm soaùt löa toác 4. OÁng daãn 5. Caáp dòch 6. Chaát haáp thu 7. Beå phaûn öùng 8. Thoaùt nöôùc 9. Beå chöùa 10. Dòch khoâng chöùa kim loaïi Moâ hình phaûn öùng haáp thu sinh hoïc kim loaïi
11. Laéng ngoaïi baøo ™ Trong moâi tröôøng coù sulphate, kim loaïi naëng coù theå ñöôïc loaïi thaûi baèng hoaït ñoäng cuûa vi sinh vaät kî khí Desulfovibrio vaø Desulfotomaculum 2- - 1. 3SO4 + 2 lactic acid Æ 3H2S + 6HCO3 2+ + 2. H2S + Cu Æ CuS + 2H - ™ HCO3 trong phaûn öùng 1 phaân huûy taïo thaønh CO2 vaø nöôùc, laøm taêng pH vaø taêng quaù trình keát tuû sulphide ™ Löôïng dö H2S thöôøng gaây ñoäc vaø aên moøn thieát bò, neân coù theå ñieàu chænh nguoàn carbon cung caáp, hoaëc cuõng coù theå ñöôïc xöû lyù bôûi vi khuaån löu huyønh. ™ Coù theå söû duïng moâ hình buøn hoaït tính ngöôïc doøng xöû lyù kim loaïi naëng
12. H S Beå phaûn öùng qua 2 lôùp buøn hoaït tính Loaïi sulphide Nöôùc kî khí ñeå loaïi boû saïch kim loaïi Dòch chöùa kim loaïi Taùch buøn Döôõng chaát Buøn hoaït tính Chaát taïo boâng
13. Caùc chaát voâ cô khaùc ™ Caùc chaát voâ cô khaùc nhö nitrate, phosphate, sulphate, cyanide vaø arsenic ™ Nitrate, phosphate chuû yeáu töø caùc coâng trình xöû lyù nöôùc thaûi, chaûy traøn beà maët qua caùc vuøng noâng nghieäp, coâng nghieäp vaø ñöôïc pha loaõng ôû caùc con soâng ™ Tuy nhieân vôùi noâng ñoä cao thì chuùng seõ gaây neân hieän töôïng phuù döôõng laøm giaûm chaát löôïng nöôùc ™ Moät soá vi sinh vaät coù khaû naêng loaïi nitrate vaø phosphate trong ñoù coù taûo luïc ™ Moät löôïng lôùn cyanide töø khai thaùc vaøng. Cyanide coù theå ñöôïc loaïi thaûi bôûi caùc taùc nhaân oxi hoùa nhö chlorine hoaëc peroxide ™ Caùc PP sinh hoïc cuõng ñang ñöôïc nghieân cöùu nhö haáp thu sinh hoïc cyanid baèng naám moác Fusarium lateritium
14. Hieän töôïng phuù döôõng (ôû soâng)
15. Hieän töôïng phuù döôõng ôû bieån (thuûy trieàu ñoû)
16. Chaát thaûi coù nguoàn goác töø daàu moû ™ Daàu moû laø moät phöùc hôïp goàm caùc hôïp chaát höõu cô ™ Thaønh phaàn chính trong daàu moû laø hydrocarbon coù phaân töû löôïng töø thaáp ñeán cao, coù caáu truùc phaân töû phöùc taïp (maïch thaúng, maïch nhaùnh, voøng, voøng thôm ) ™ Ngoaøi ra coøn coù caùc hôïp chaát dò voøng chöùa sulphur, nitrogen, oxygen vaø kim loaïi naëng
17. Daàu tho⠙ Daàu thoâ laø keát quaû cuûa quaù trình phaân huûy kî khí xaùc sinh vaät trong thôøi gian daøi döôùi ñaát. ™ Trong ñieàu kieän aùp suaát vaø nhieät ñoä cao caùc chaát höõu cô chuyeån thaønh khí, daàu loûng, daàu seät vaø haéc ín. ™ Moät phaàn trong daàu thoâ coù chöùa BTEX vaø PAH. Khi daàu thoâ bò ñaåy leân maët ñaát do aùp suaát vaø nhieät ñoä cao hoaëc bò roø ræ töø caùc beå chöùa thì caùc naøy ñi vaøo moâi tröôøng. ™ BTEX vaø PHA laø caùc hôïp chaát ñoäc, maëc duø khoâng tan trong nöôùc, deã di chuyeån vaø coù theå gaây oâ nhieãm nöôùc ngaàm
18. Beå chöùa daàu bò roø ræ Bay hôi Ñaù khoâng thaám Doøng daàu Vuøng chöa baûo hoøa Taûng nöôùc Chaát höõu cô Doøng nöôùc hoøa tan ngaàm Söï phaân boá hydrocarbon trong ñaát töø söï coá roø ræ daàu (Bossert vaø Compeau, 1995)
19. Xöû lyù sinh hoïc daàu traøn ™ Daàu traøn khoâng troän laãn trong nöôùc bieån vaø noãi treân maët nöôùc, taïo ñieàu kieän cho caùc hôïp chaát bay hôi ñi vaøo khoâng khí ™ Söï phaân taùn daàu treân maët bieån cho pheùp caùc sinh vaät phaân huûy daàu moät caùch töï nhieân ™ Söï phaân huûy daàu dieãn ra taïi beà maët tieáp xuùc giöõa daàu vaø nöôùc. Do ñoù, daàu caøng phaân taùn thì toác ñoä phaân huûy caøng cao. ™ Ñeå taêng hieäu quaû xöû lyù daàu baèng vi sinh vaät, ngöôøi ta thöông taïo ñieäu kieän cho VSV phaân huûy phaùt trieån baèng caùch theâm döôõng chaát cho chuùng (nitrogen vaø phosphorus)
20. DẦU TRÀN Dầutrànlàmột trong những thảmhọa đốivới môi trường nước Che mất ánh sáng, ngăncảnhoạt động của động thựcvậtbiển Phát tán nhanh và không cốđịnh Tác động lâu dài, khó xử lý
21. DẦU TRÀN Nguyên nhân gây nên tràn dầu
22. HẬU QUẢ CỦA DẦU TRÀN
23. Xử lý dầutràn Khoanh vùng Thu gom
24. Xử lý dầutrànbằng các hệ Phun các chế phẩmsinhhọc thống tự nhiên phân hủydầu
25. Xöû lyù sinh hoïc ñaát bò oâ nhieãm ™ Ñaát chöùa moät löôïng lôùn vi sinh vaät coù khaû naêng söû duïng hydrocarbon ™ Ñaát bò nhieãm hydrocarbon chöùa nhieàu VSV hôn ñaát khoâng bò nhieãm, nhöng thaønh phaàn loaøi VSV thì ít hôn. ™ Soá phaän caùc hôïp chaát höõu cô trong moâi tröôøng aûnh höôûng bôûi nhieàu yeáu toá. ™ Caùc yeáu toá naøy aûnh höôûng lôùn ñeán söï phaùt trieån vaø ñoàng hoùa caùc hôïp chaát höõu cô cuûa VSV
26. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán söï phaùt trieån cuûa Vi sinh vaät ™ Söï hieän dieän cuûa caùc hôïp chaát höõu cô phaân huûy sinh hoïc ñöôïc ™ Söï hieän dieän cuûa caùc hôïp chaát voâ cô coù chöùa nitrogen vaø phosphorus ™ Noàng ñoä oxy, nhieät ñoä, pH ™ Nöôùc vaø ñoä aåm ™ Soá löôïng vaø thaønh phaàn loaøi vi sinh vaät ™ Söï hieän dieän cuûa kim loaïi naëng
27. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán söï phaân huûy caùc hôïp chaát ™ Söï phaùt trieån vaø ñoàng hoùa cuûa vi khuaån ™ Caáu truùc hoùa hoïc cuûa caùc hôïp chaát höõu cô ™ Söï coù saün hoaëc/vaø ñoä hoøa tan cuûa vaät chaát ™ Quang hoùa
28. Caùc con ñöôøng phaân huûy hôïp chaát hydrocarbon ™ Caùc hôïp chaát hoùa daàu, PAH, BTEX ñöôïc phaân huûy bôûi vi sinh vaät ñaát. ™ VSV duøng caùc chaát naøy nhö laø nguoàn carbon vaø naêng löôïng cho hoaït ñoäng soáng vaø toång hôïp teá baøo ™ Thoâng thöôøng caùc hydrocarbon bò oxi hoùa trong ñieàu kieän hieáu khí hoaëc kî khí
29. CON ÑÖÔØNG PHAÂN GIAÛI SINH HOÏC MOÄT SOÁ HÔÏP CHAÁT VOØNG THÔM CHU TRÌNH CREBS
30. Nguyeân taéc phaûn öùng phaân huûy sinh hoïc ™ Laøm cho caùc hydrocarbon thaønh caùc chaát phaân cöïc ™ Neáu laø hôïp chaát hydrocarbon maïch voøng thì thöïc hieän phaûn öùng môû voøng ™ Thay theá caùc nhoùm halogen baèng nhoùm -OH ™ Caùc phaûn öùng phaân huûy ñöôïc xuùc taùc bôûi caùc enzyme ñaëc hieäu ™ SaûnphaåmcuoáicuøngñivaøochutrìnhCrebs
31. Ñoàng hoùa trung taâm MOÄT SOÁ HÔÏP CHAÁT VOØNG THÔM CON ÑÖÔØNG PHAÂN GIAÛI SINH HOÏC PHAÂN GIAÛI SINH CON ÑÖÔØNG
32. Naám Taûo Vi khuaån Taûo Caùc böôùc ñaàu tieân trong phaân giaûi hydrocarbon maïch voøng bôûi naám, vi khuaån vaø taûo (Cerniglia, 1993)
33. Con ñöôøng phaân giaûi sinh hoïc toluene (Glazer vaø Nikaido, 1994)
34. Caùc chaát höõu cô toång hôïp ™ Haøng ngaøn hôïp chaát höõu cô toång hôïp ñöôïc ñöa vaøo moâi tröôøng ™ Ñieån hình cho loaïi hôïp chaát naøy laø thuoác tröø saâu, dieät coû vaø baûo veä thöïc vaät ™ Ñöôïc ñöa vaøo moâi tröôøng moät caùch tröïc tieáp ™ Moät nhoùm khaùc coù khaû naêng gaây oâ nhieãm nöôùc ngaàm laø caùc dung moâi clo hoùa. ™ Moät loaïi hoùa chaát ñöôïc toång hôïp coù ñoäc tính cao laø dioxin. ™ Coù thôøi gian baùn phaân huûy cao
35. Caáu truùc hoùa hoïc cuûa moät soá chaát dieät coân truøng thoâng duïng
36. Thôøi gian baùn phaân huûy cuûa moät soá chaát trong moâi tröôøng Độc chất Thời gian bán phân hủy Môi trường DDT 10 năm Đất TCDD 9 năm Đất Atrazine 25 tháng Nước Benzoperylene (PAH) 14 tháng Đất Phenanthrene (PAH) 138 ngày Đất Carbofuran 45 ngày Nước
37. Söï phaân huûy sinh hoïc caùc chaát trong moâi tröôøng Phaân huûy Höõu sinh Hoaït ñoäng soáng cuûa vi sinh vaät Phaân huûy Loaïi boû nguyeân Caét caáu truùc Caét vaø loaïi boû voâ sinh töû clo maïch voøng chuoãi carbon Keát quaû: - Khoaùng hoùa hoaøn toaøn hôïp chaát - Cung caáp naêng löôïng cho hoaït ñoäng soáng cuûa vi sinh vaät
38. Con ñöôøng phaân huûy chaát höõu cô toång hôïp
39. Ví duï veà chuyeån hoùa sinh hoïc TNT
40. Chuyeån hoùa sinh hoïc TNT trong ñaát
41. Ví duï veà chuyeån hoùa sinh hoïc dioxin
42. Coâng ngheä xöû lyù sinh hoïc ™ Ñaát bò oâ nhieãm coù theå xöû lyù sinh hoïc baèng 2 caùch: in-situ vaø ex-situ Ñaát bò oâ nhieãm In-situ Ex-situ Taïi choã Troàng troït Troàng troït Laøm phaân Laøm thoaùng sinh hoïc Laøm phaân UÛ ñoáng sinh hoïc Phun hôi UÛ ñoáng sinh hoïc Heä thoáng reã Beå sinh hoïc
43. In-situ
44. Ex-situ
45. UÛ ñoáng sinh hoïc
46. Xöû lyù Bôm Maùytaùch Raõnh caáp Beå chöùa khí huùt khí/nöôùc döôõng chaát döôõng chaát OÁng phaân phoái khí sinh hoïc Xöû lyù laøm thoaùng Ñaát bò oâ nhieãm Nöôùc ngaàm
47. Xöû lyù ñaát bò oâ nhieãm baèng thöïc vaät ™ Duøng thöïc vaät ñeå haáp thu chaát gaây oâ nhieãm vaø kim loaïi töø ñaát ™ Xöû lyù baèng thöïc vaät bao goàm caùc quaù trình: 1. Taùch chieát baèng thöïc vaät: loaïi thaûi chaát oâ nhieãm vaø kim loaïi töø ñaát baèng caùch tích luõy vaø phaân huûy trong cô theå thöïc vaät 2. Hoùa hôi baèng thöïc vaät 3. Loïc qua boä reã 4. OÅn ñònh, chuyeån hoùa caùc ñoäc chaát thaønh nhöõng chaát ít ñoäc hôn. ™ Xöû lyù baèng thöïc vaät: Hieäu quaû cao, reû tieàn, chi phí xaây döïng, vaän haønh baûo döôõng thaáp, ñöôïc coàng ñoàng chaáp nhaän
48. Xöû lyù baèng thöïc vaät Bay hôi Tích luõy Phaân huûy Phaân huûy sinh hoïc Haáp thu Chaát oâ nhieãm Bôm As ñeán khoâng baøo Giöõ phöùc hôïp As-thiol trong laù Khöû arsenate thaønh arsenite trong laù Ngaêncaûnquaùtrìnhkhöû arsenate noäi baøo trong reã Taêng khaû naêng haáp thu arsente
49. Xöû lyù nöôùc nhieãm KLN baèng thöïc vaät
50. Khí thaûi vaø bieän phaùp xöû lyù ™ Khí thaûi chöùa caùc hôïp chaát höõu cô bay hôi (VOC), SO2, NOx, CFC, CO2, methane vaø haït buïi ™ Moät phöông phaùp xöû lyù VOC laø loïc sinh hoïc, trong ñoù VSV ñöôïc söû duïng ñeâ phaân huûy VOC ™ Moät soá vi sinh coøn ñöôïc söû duïng ñeå xöû lyù H2S sinh ra töø quaù trình ñoát chaùy nhieân lieäu hoùa thaïch
51. Taùch nöôùc Phaân phoái nöôùc Than hoaït tính Doøng khí chöùa VOC Vaät lieäu loïc sinh hoïc Ngaên Bôm hoaøn löu chöùa buøn Thoaùt nöôùc Caáp vaø phaân phoái nöôùc Sô ñoà moâ hình xöû lyù khí coù VOC baèng loïc sinh hoïc
52. Khöû löu huyønh trong than vaø daàu ™ Löu huyønh trong than vaø daàu khi bò ñoát chaùy seõtaïoneânSO2, ñaây laø khí gaây neân möa acid nghieâm troïng ™ Vieäc laøm giaûm SO2 coù theå baèng caùch khöû S trong than hoaëc xöû lyù khí SO2 sau khi ñoát than. ™ CoùtheåloaïiSO2 baèng CaCO2 theo PT sau: ™ CaCO3 + SO2 Æ CaSO3 + CO2 ™ 2CaSO3 + O2 + H2O Æ 2CaSO4 + 2H2O
53. Khöû löu huyønh trong than vaø daàu ™ Moät soá vi sinh vaät löu huyønh coù khaû naêng xöû lyù S trong than. ™ 2S + 3O2 + H2O Æ 2H2SO4 ™ Thiobacillus ferrooxidans coù theå oxi hoùa FeS theo PT sau: ™ 2FeS + 7O2 + 2H2O Æ 2FeSO4 + H2SO4 ™ 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 Æ 2Fe2(SO4)3 + 2H2O ™ Ngoaøi ra coøn coù moät soá vi sinh vaät coù khaû naêng loaïi S trong lieân keát vôùi caáu truùc maïch voøng